Quản lý và xử lý chất thải rắn - Chương 7 doc

1
CHƯƠNG VII
SẢN XUẤT BIOGAS

Cuộc khủng hoảng năng lượng vào những năm 1980 đã gây ra những ảnh
hưởng kinh tế cho nhiều quốc gia, đặc biệt là những nước nghèo lệ thuộc
vào việc nhập khẩu dầu và khí đốt. Biogas là sản phẩm trung gian của quá
trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ đã được xem như là nguồn
năng lượng thay thế. Biogas có thể được sử dụng trong hộ gia đình như là
dùng để nấu ăn, cung cấp nhiệt, thắp sáng, và hơn thế nữa là sử dụng
trong các cơ quan công sở để cung cấp năng lượng hay là dùng để phát
điện.
Vật liệu thô phổ biến dùng để tạo ra biogas thường được xem như là “vật liệu
thừa”, ví dụ như là phân gia súc, bùn trong hệ thống cỗng rãnh, và các phế
phẩm thực vật. Tất cả các vật liệu này có nguồn dinh dưỡng cao thích hợp cho
sự tăng trưởng của các vi khuẩn yếm khí. Mặc dù một vài dạng trong số các
loại vật liệu này có thể sử dụng trực tiếp như là nguồn nguyên liệu và phân
bón, nhưng chúng cũng được sử dụng để sản xuất biogas và nhiệt lượng. Tùy
thuộc vào các yếu tố như là thành phần của các vật liệu đầu vào, khối lượng
chất hữu cơ áp dụng, thời gian và nhiệt độ của phân hủy yếm khí mà thành
phần sản phẩm biogas biến đổi như sau:
CH
4
55 – 65%
CO
2
35 – 45%
N
2

0 – 3%
H
2
0 – 1%
H
2
S 0 – 1%
CH
4
cung cấp nhiệt lượng cao nhất (# 9.000 kcal/m
3
); thông thường trong
sản phẩm biogas cung cấp nhiệt lượng khoảng 4.500 – 6.300 kcal/m
3
.
7.1 Mục Đích, Lợi Ích Và Giới Hạn Của Công Nghệ Biogas
7.1.1 Tạo ra nguồn năng lượng
Quá trình tạo ra nguồn năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm
khí của các chất thải hữu cơ là lợi ích cao nhất của công nghệ biogas. Thực
tiễn sản xuất biogas trong khu vực nông thôn có một số thuận lợi như bù
đắp nhiên liệu, than , dầu, gỗ và các vấn đề liên quan đến việc quản lý và


2
hệ thống mạng lưới phân phối năng lượng. Lượng chất thải hữu cơ cần
thiết cho quá trình sản xuất biogas thì dồi dào. Giảm nhu cầu sử dụng gỗ
trong rừng và những nổ lực trồng cây rừng trong tương lai.


3

7.1.2 n đònh chất thải
Các phản ứng sinh học xuất hiện trong quá trình phân hủy yếm khí sẽ làm
giảm nồng độ của các chất hữu cơ từ 30 - 60% và ổn đònh bùn có thể dùng để
làm phân bón và cải tạo đất.
7.1.3 Cung cấp chất dinh dưỡng
Các chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong chất thải thường tồn tại dưới
dạng phức chất và rất khó hấp phụ bởi cây trồng. Sau khi phân hủy ít
nhất 50%, N hiện diện dưới dạng ammonia hòa tan, có thể thực hiện hóa
trình nitrate hóa tạo thành NO
3
-
. Vì vậy quá trình phân hủy sẽ tăng đô hữu
dụng của N trong các chất hữu cơ từ 30 - 60%. Hàm lượng P, K không
thay đổi trong quá trình phân hủy. Quá trình phân hủy không phân hủy
hay dòch chuyển bất cứ thành phần nào trong các dạng dinh dưỡng của
chất thải đô thò và trong các trại và làm cho nó hữu dụng thích hợp cho
việc hấp thụ của cây trồng. Bùn lắng từ quá trình phân hủy được xem như
là chất làm ổn đònh và cải tạo đặc tính vật lý đất.
7.1.4 c chế hoạt tính của mầm bệnh
Trong thời gian ủ phân yếm khí chất thải được phân hủy trong thời gian
khoảng 15 - 50 ngày, nhiệt độ 35
o
C. Những điều kiện này thích hợp cho
việc ức chế một số mầm bệnh như là vi khuẩn, virus, động vật nguyên
sinh, trứng giun sán.
Kỹ thuật biogas có một vài trở ngại. Khi so sánh với các giải pháp lựa chọn
khác như là ủ phân compost thì các yếu tố như là ổn đònh chất thải và ức
chế mầm bệnh thì phương pháp ủ phân compost tốt hơn nhiều. Một giới
hạn khác bao gồm chi phí cao, sản phẩm biogas biến đổi theo mùa, cũng
như các vấn đề như là vận hành và bảo trì.

Bởi vì việc ức chế mầm bệnh trong phân hủy yếm khí không hoàn chỉnh và
bùn hình thành từ quá trình phân hủy tồn tại dưới dạng dung dòch, do đó
cần lưu ý khi lưu trữ và sử dụng lại bùn từ quá trình phân hủy. Có lẻ đây
là lý do làm cho việc sử dụng bùn từ các hầm tự hoại bò hạn chế. Bảng 4.1
là bảng so sánh phân tích kỹ thuật biogas và ủ phân compost. Bảng 4.2 so
sánh thuận lợi và bất lợi của công nghệ biogas.
7.2 Các Phản ng Sinh Hóa Và Các Vi Sinh Vật


4
Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ là một phản ứng sinh hóa rất
phức tạp bao gồm những phản ứng và sự tham gia của các hợp chất hữu cơ
khác nhau, mỗi một hợp chất được thủy phân bởi một enzymes cụ thể
hoặc là chất xúc tác riêng biệt. Phản ứng đơn giản của quá trình này là:
Các hợp chất hữu cơ CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+ H
2
S

(7-1)

Một cách tổng thể của quá trình phân hủy yếm khí xuất hiện gồm các giai
đoạn sau đây:

1. Bẻ gãy liên kết polymer hay sự hóa lỏng (Liquefaction).
2. Hình thành acid.
3. Hình thành methane (CH
4
)
♦ Giai đoạn 1: Sự hóa lỏng hay bẻ gãy các liên kết polimer: (hydrolytic
bacteria)
Nhiều chất thải hữu cơ trong thành phần có chứa các phức chất polymer
hữu cơ như là protein, chất béo, cacbohydrate, cellulose, lignin, một số tồn
tại dạng chất rắn không hòa tan. Trong giai đoạn này các polymer hữu cơ
bò bẻ gãy các liên kết do các enzyme đặc biệt hình thành. Do các vi khuẩn
thuỷ phân và hòa tan trong nước, các chất hữu cơ đơn giản hoà tan được
hình thành, thích hợp ch các vi khuẩn hình thành acid trong giai đoạn 2
(hình thành acid).
Thông thường rất khó phân biệt giữa giai đoạn 1 và giai đoạn 2, bởi vì một
số loại tế bào được hấp thụ và phân hủy ngay trong nội tại tế bào.
Như đã trình bày trong hình 4.2, phản ứng thủy phân trong giai đoạn này
sẽ biến đổi protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn giản
và chất béo thành acid dạng chuỗi (long chain fatty acid). Quá trình hóa
lỏng cellulose và các hợp chất phức chất khác thành monomer đơn giản chỉ
xảy ra chậm tại giai đoạn 1 và diễn ra nhanh trong giai đoạn 2 và 3. Tốc
độ thuỷ phân tuỳ thuộc vào chất dinh dưỡng và nồng độ vi khuẩn, cũng
như các yếu tố khác : pH và nhiệt độ.
♦ Giai đoạn 2: Hình thành acid: (acetogenic bacteria)
PH
y
ếm khí


5

Các monomer hình thành trong quá trình thủy phân do các vi khuẩn trong
giai đoạn 1 thực hiện, sau đó được biến đổi thành acetic acid (acetates), H
2

và CO
2
bằng các vi khuẩn hình thành acid (acetogenic bacteria). Các acid
béo bay hơi (Volatile Fatty Acid) (VFA) được hình thành xem như là sản
phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn đối với protit,
chất béo, và carbohydrate mà các acid như acetic, propionic, và lactic acid
là sản phẩm chính. Khí CO
2
và H
2
cũng thải ra trong quá trình dò hóa
carbohydrate, với methanol CH
3
OH, và các rượu đơn giản, các sản phẩm
trung gian trong việc phá vỡ các carbohydrate (hydrocacbon).
♦ Giai đoạn 3: Hình thành metan (CH
4
): (methanogens)
Các sản phẩm hình thành trong giai đoạn 2 cuối cùng biến đổi thành CH
4

và các sản phẩm cuối cùng do nhóm vi khuẩn gọi là methanogen thực
hiện. Vi khuẩn methanogenic phát triển trong điều kiện yếm khí, tốc độ
tăng trưởng chậm hơn trong giai đoạn 1 và 2.
Vi khuẩn methane sử dụng acetic acid, methanol, hoặc carbon dioxide (CO
2

)
và khí H
2
để sản xuất methane. Acetic acid đóng vai trò rất quan trọng như
là chất dinh dưỡng để hình thành methane, khoảng 70% CH
4
sản xuất từ
acetic acid. CH
4
còn lại được sản xuất từ CO
2
và H
2
. Một số chất khác cũng
tham gia vào quá trình hình thành CH
4
như là acid formic nhưng đóng vai
trò không quan trọng, bởi vì nó không hiện diện thường xuyên trong quá
trình lên men yếm khí. Vi khuẩn methane cũng phụ thuộc vào vi khuẩn giai
đoạn 1 và 2 để cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng thích hợp. Ví dụ, hợp chất
N hữu cơ phải được khử thành ammonia và thích hợp ch việc sử dụng một
cách hữu dụng của vi khuẩn methane.
Sự hình thành những phản ứng tạo methane trong giai đoạn 3 đóng vai trò
rất quan trọng trong việc phân hủy yếm khí. Vi khuẩn methane còn giúp
cho việc trung hòa pH trong bùn và biến đổi aicd béo bay hơi thành CH
4
và
các khí khác.
Quá trình biến đổi H
2

thành CH
4
bằng vi khuẩn methane làm giảm áp suất
do H
2
gây ra bể phân hủy, giúp cho hoạt động có lợi của các vi khuẩn hình
thành acid acetic. Nếu các chức năng vi khuẩn methane thất bại trong việc
hình thành CH
4
thì chỉ có một lượng nhỏ thậm chí không có sự hình thành
CH
4
và việc ổn đònh chất thải sẽ không đạt được kết quả bởi vì các hợp
chất hữu cơ sẽ biến đổi thành các acid béo bay hơi sẽ gây ô nhiễm nếu


6
thải vào môi trường nước hoặc môi trường đất. Vi khuẩn methane phát
triển trong điều kiện yếm khí, do đó sự phát triển của chúng sẽ bò hạn chế
khi trong bể phân hủy có sự hiện diện của oxy, nên cần phải tạo môi
trường khử để duy trì sự tăng trưởng của chúng. Vi khuẩn methane rất
nhạy cảm với các yếu tố môi trường khác. Vấn đề này sẽ thảo luận trong
phần 7.3 các yếu tố tác động môi trường.
Hiện nay quá trình phân hủy yếm khí được chia làm 4 nhóm vi khuẩn
tham gia:
I. Vi khuẩn hình thành acid (thủy phân và lên men)
Acid forming (hydrolytic and fermentative) bacteria
II. Vi khuẩn hình thành acetic acid (sản xuất acetate và H
2
)

Acetogenic (acetate and H
2
- producing) bacteria
III. Vi khuẩn hình thành methane (methane - forming) Acetoclastic
bacteria
IV. Vi khuẩn hình thành H
2
và CH
4
hữu dụng
Hydrogen - utilizing methane bacteria
Vi khuẩn hình thành aicd tham gia vào quá trình thủy phân và làm bẻ gãy
các liên kết phức chất hữu cơ thành các sản phẩm đơn giản như là CO
2
,
H
2
, và các acid béo bay hơi bằng các con đường khác nhau:
Chất dinh dưỡng (subtrate) → CO
2
+ H
2
+ acetate (7-2)
Chất dinh dưỡng (subtrate) → propionate + butyrate + ethanol (7-3)
Sản phẩm hình thành từ phương trình (7-2) có thể được vi khuẩn hình
thành methane (acetoclastic bacteria) sử dụng trực tiếp và vi khuẩn hình
thành H
2
và CH
4

hữu dụng để tạo thành CH
4
.
CH
3
COO
-
+ H
2
O → CH
4
+ HCO
3
-
+ năng lượng (7-4)
(acetate)
4H
2
+ HCO
3
-
+ H
+
→ CH
4
+ 3H
2
O + năng lượng (7-5)

7
Thời gian hình thành vi khuẩn giai đoạn 2 dài hơn giai đoạn 1 (2-3 ngày VS
2-3 giờ ở nhiệt độ 35
o
C) trong điều kiện tối ưu. Vì vậy bể phân hủy yếm khí
không nên cho vào tải trọng chất hữu cơ quá cao (organic loading) bởi vì các
vi khuẩn hình thành acid sẽ sản xuất acid béo bay hơi phát triển nhanh hơn
vi khuẩn hình thành methane, vì sự tăng trưởng của vi khuẩn hình thành
methane rất nhạy cảm với áp suất của H
2
trong bể phân hủy yếm khí.
Nếu áp suất H
2
lớn hơn 0.0001 hoặc 0.01% thì phản ứng (7-3) chiếm ưu
thế và sự hình thành acetate sẽ bò hạn chế. Khoảng chừng 70% CH
4
hình
thành trong phương trình (7-4), tỷ lệ hình thành biogas sẽ bò giảm.
Phương trình (7-5) đóng vai trò rất quan trọng trong bể phân hủy yếm khí
bởi vì nó sẽ làm giảm nồng độ H
2
trong hệ thống và duy trì áp suất H
2
ở
mức thấp nhất. Hoạt động không hoàn hảo (malfunction) của hệ thống còn
phụ thuộc vào những yếu tố khác.
7.3 Các Điều Kiện Trong Quá Trình Thực Hiện Biogas
Phản ứng trong điều kiện yếm khí trong bể phân hủy có thể xảy ra nhanh
chóng nếu các vi khuẩn nuôi cấy hay chất dinh dưỡng được cung cấp một
cách hợp lý. Khi phản ứng hay giai đoạn làm quen với môi trường mới, các vi

khuẩn hay chất dinh dưỡng phản được nuôi cấy và cung cấp vào chất thải
một cách hợp lý về số lượng ít nhất 50%. Thể tích nuôi cấy giảm trong khi thể
tích chất thải cho vào tăng dần trong khoảng thời gian từ 3-4 tuần. Sau
khoảng thời gian này, thể tích chất thải cho vào độc lập với thể tích vi sinh
nuôi cấy, mục đích là giúp cho sự tăng trưởng của vi khuẩn yếm khí. Khi xử lý
chất thải gia súc, bùn lắng trong bể tự hoại, hoặc chất thải cây trồng, hàm
lượng chất rắn khoảng 5 - 10%, phần còn lại là nước.
Cũng như các quá trình sinh học khác, các quá trình phân hủy kỵ khí đòi
hỏi nhiều thông số kiểm soát khác nhau. Các thông số có thể tương tác
độc lập hoặc tác động lẫn nhau trong quá trình thực hiện phản ứng.


8
7.6.1 Nhiệt độ
Nhiệt độ thay đổi hàng ngày và theo mùa đóng vai trò rất quan trọng trong
việc hình thành sản phẩm biogas. Một cách tổng thể, 2 dãy nhiệt độ quan
trọng trong việc hình thành biogas: giai đoạn mesophilic (25 - 40
o
C) và
thermophilic (50 - 65
o
C). tỷ lệ hình thành methane tăng khi nhiệt độ tăng,
nhiệt độ có sự giảm đi chút ít trong sự chuyển tiếp giữa 2 giai đoạn (hình
4.4). Nhiệt độ dưới 10
o
C hình thành khí giảm một cách nhanh chóng.
7.6.2 Độ pH và độ kiềm
PH trong bể phân hủy yếm khí nên nằm trong khoảng 6.6 - 7.6, pH tối ưu
là 7 - 7.2. Mặc dù vi khuẩn hình thành acid có thể hoạt động trong điều
kiện pH khoảng 5.5. Vi khuẩn hình thành khí methane bò hạn chế trong

điều kiện pH thấp. Giá trò pH có thể giảm dưới 6.6 khi nồng độ của các
acid béo bay hơi trong bể phân hủy cao. Quá trình tích lũy có thể xuất
hiện khi tỷ lệ chất hữu cơ cho vào với hàm lượng cao vượt quá mức giới
hạn cho phép hoặc là các độc tố hiện diện trong bể phân huỷ.
7.6.3 Nồng độ các chất dinh dưỡng
Hầu hết thông tin cung cấp trong phần này là kết quả của nghiên cứu các
loại vi khuẩn có mặt trong dạ cỏ (Rumen) của động vật. Năng lượng cung
cấp cho sự tăng trưởng của hầu hết vi khuẩn lên men trong dạ cỏ hình
thành thông qua quá trình lên men yếm khí của hydrocarbon. N được cung
cấp hình thành cấu trúc tế bào. Để quá trình hình thành biogas diễn ra tốt
thì vật liệu đầu vào phải đạt yêu cầu tỉ lệ C/N. Vi khuẩn sử dụng C nhanh
hơn N từ 25 - 30 lần. Do đó tỷ lệ C/N = 25 - 30/1 là tối ưu, tương tự như
quá trình ủ phân compost. Các yếu tố khác như P, Na, K, Ca cũng đóng vai
trò cần thiết.
7.6.4 Tải trọng vật liệu đầu vào (loading)
Tải trọng vật liệu đầu vào có thể biểu hiện như (kg COD hay chất rắn bay
hơi volative solid (VS/m
3
.day) và thời gian lưu nước trong bể (HRT). Vật liệu
đầu vào có nồng độ cao làm phát sinh nhiều acid béo bay hơi trong bể
phân hủy (điều kiện chua) (sour condition) và hậu quả là pH giảm, ảnh
hưởng bất lợi với vi khuẩn hình thành khí methane. Nồng độ vật liệu đầu


9
vào thấp thì lượng biogas sinh ra không sử dụng được cho nhiều mục đích
khác nhau và bể phân hủy yếm khí không cần thể tích lớn.
Thời gian lưu nước trong bể cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến
quá trình phân hủy. Thời gian lưu nước trong bể quá ngắn không thích hợp
cho các vi khuẩn yếm khí hoạt động, đặc biệt là vi khuẩn hình thành khí

methne. Thời gian lưu nước trong bể quá dài làm tích lũy các chất đã được
phân hủy trong bể phân hủy và cấu trúc thể tích trong bể phân hủy càng
lớn. Nhìn chung tải trọng vật liệu đầu vào, thời gian lưu nước trong bể tùy
thuộc vào đặc tính chất thải đưa vào và điều kiện môi trường trong bể
phân hủy.
7.6.5 Hiện diện của hợp chất độc tố
Quá trình phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ như là phân gia súc, và
các chất thải nông nghiệp khác, tích lũy acid béo bay hơi, H
2
, và ammonia
không phân chia thường dẫn đến những thất bại trong phân hủy. Sự hiện
diện của oxy cũng hạn chế các hoạt động vi khuẩn hình thành khí
methane.
7.6.6 Khuấy trộn
Quá trình khuấy trộn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điều
kiện tốt hơn cho việc tiếp xúc giữa vi khuẩn yếm khí và các chất thải hữu
cơ đi vào, do đó hiệu quả sản xuất biogas gia tăng, giảm khả năng lắng của
chất thải rắn hoặc là sự tích lũy các chất thải dưới bể lắng giúp cho việc
ngăn cản và làm phá vỡ sự hình thành những bọt váng trên bề mặt phân
hủy. Đối với những bể phân hủy có quy mô nhỏ, việc khuấy trộn có thể
thực hiện bằng thủ công. Đối với bể có quy mô lớn, thực hiện bằng máy và
có cả hệ thống hoàn lưu bùn và bộ phận khuấy trộn.
7.4 Các Phương Pháp Sản Xuất Biogas
Có rất nhiều bể phân hủy yếm khí được thiết kế sử dụng cho các mục đích
khác nhau, sử dụng dạng mô hình trong phòng thí nghiệm và dạng sử
dụng ngoài thực đòa. Có 2 yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế sản xuất
biogas là: trong bể phân hủy không có sự hiện diện của oxy và thể tích
hợp lý để các vi khuẩn thực hiện các phản ứng sinh học.
7.6.1 Các dạng bể phân hủy

10
- Bể phân hủy dạng mẻ (batch operation)
Theo thiết kế dạng bể này phân hủy các chất hữu cơ cho đến khi đầy bể
cùng với vi khuẩn nuôi cấy, phủ kín bể. Quá trình phân hủy, gas được sinh
ra và hàm lượng giảm dần theo thời gian. Lượng biogas được hình thành
dựa vào sự biến đổ nhiệt độ vùng, và các dạng chất thải đưa vào. Sau đó
bùn được lấy ra chỉ chừa lại 10 – 20% xem như là chất nuôi cấy, các vật
liệu được cho vào trở lại và quá trình cứ tiếp tục như lúc ban đầu. Bể phân
hủy dạng này, lượng gas sản xuất không ổn đònh và tỷ lệ gas phát sinh
biến đổi từ cao đến thấp. Phương pháp này thích hợp cho việc phân lớn
chất hữu cơ ở vùng sâu.
- Bể phân hủy bán liên tục ( Semi – continuous operation)
Theo thiết kế dạng bể này, các chất thải được cho vào bể theo quy luật.
Thông thường lượng chất thải cho vào từ 1 – 2 lần/ngày và lượng bùn cũng
được lấy ra cùng thời điểm lúc cho chất thải vào. Phương pháp này thích
hợp khi lượng chất thải cho vào bể ổn đònh. Thể tích bể phân hủy đủ lớn
để vừa có bể phản ứng vừa có hầm chứa khí. Lượng gas sinh ra trên một
đơn vò khối lượng chất hữu cơ thường cao.
- Bể phân hủy liên tục
Bể phân hủy dạng này, chất thải cho vào và lượng bùn lấy ra một cách
liên tục. Lượng chất thải được phân hủy trong bể dưới dạng hằng số bằng
phương pháp chảy tràn (over flow) hoặc dùng máy bơm (pumping). Phương
pháp này đã được sử dụng để xử lý chất thải lỏng hoặc chất thải hữu cơ có
hàm lượng chất rắn thấp. Phương pháp phân hủy liên tục đòi hỏi nguồn
năng lượng rất lớn đầu vào dùng để bơm và khuấy trộn, và vì vậy bò giới
hạn sử dụng tại những nơi nguồn năng lượng bò sử dụng hạn chế.
Một điểm cần lưu ý là quá trình cấy các vi khuẩn cho vào khi bể bắt đầu
hoạt động. Hoạt động thật sự bắt đầu khi số lượng vi khuẩn được hình
thành đủ để phân hủy chất thải, khí được sản xuất, bao gồm cả lượng gas

sản xuất so với tổng số gas. Thông thường việc ổn đònh chất thải cần
khoảng thời gian từ 20 – 30 ngày (tùy thuộc vào nhiệt độ, kích thước bể
phân hủy và vật liệu đầu vào)
7.6.2 Kiểu bể phân hủy


11
Có rất nhiều dạng kiểu bể phân hủy biến đổi từ dạng đơn giản đến phức
tạp. Khi gia tăng độ phức tạp trong bể thiết kế đòi hỏi kỹ năng vận hành
cao hơn và thông thường khó đáp ứng được. Hơn thế hữa , thiết kế càng
hiện đại thì đòi hỏi chi phí xây dựng và vận hành cao, và lượng gas sản
xuất thì gia tăng không đáng kể.
Bể phân hủy 2 giai đoạn (i.e. giai đoạn 1 hình thành acid và giai đoạn 2
hình thành khí methane) được thiết kế sử dụng cho mục đích thí nghiệm
để tìm hiểu về các hoạt động xảy ra trong điều kiện tự nhiên của chất
thải. Bể phân hủy 1 giai đoạn được sử dụng rộng rãi trong điều kiện thực
tiễn.
Một cách tổng quát, kiểu bể phân hủy có thể chia thành 2 nhóm chính:
Nhóm hữu dụng cho các vi khuẩn phân tán (dispersed – growth bacteria) và
nhóm hữu dụng cho nhóm vi khuẩn bám dính (attached – growth bacteria).
Bể phân hủy kiểu phân tán:
• Bể kết hợp phân hủy và tiêu hủy khí (combined digester and gas
holder – fixed dome) (Chinese)
Thiết kế kiểu này (hình 4.5) thể tích chứa gas được thiết kế một cách trực
tiếp nằm bên trên bể phản ứng. Bể phân hủy quy mô nhỏ có thể tích 6 –
12m
3
phù hợp sử dụng trong gia đình hoặc một nhóm hộ gia đình. Kiểu có
thể tích lớn hơn (50m
3

) được thiết kế đáp ứng nhu cầu của cả cộng đồng.
Mái lợp, tường, và đáy của bể phản ứng cấu tạo bằng gạch hoặc đúc bê
tông. Đáy và lớp bao phủ có cấu tạo hình bán cầu.
Bể phân hủy này được chôn dưới đất mục đích là để nhiệt độ phân phối
đồng nhất, sử dụng được không gian và tận dụng được độ cứng của đất,
ống cho vật liệu vào được cấu tạo thẳng và chấm dứt trong khoảng giữa bể
phân hủy. Dạng bể phân hủy kiểu này phổ biến tại các nước đang phát
triển. Có khoảng chừng 7 triệu bể phân hủy đang sử dụng tại Trung Quốc,
nhưng vì lý do ảnh hưởng bởi sự biến đổi theo mùa của nhiệt độ, do đó chỉ
có khoảng 50% trong số hoạt động có hiệu quả. Bể phân hủy kiểu này
thiết kế dưới dạng bán liên tục, một vài thiết kế dạng mẻ.
Tỷ lệ gas sản xuất được ghi nhận khoảng 0.15 – 0.2m
3
/ngày/m
3
bể phân
hủy nhưng trong vùng nhiệt đới có thể đạt 0.3 – 0.4m
3
/ngày/m
3
.


12
Quá trình khuấy trộn trong bể phân hủy thông qua việc cho chất thải đầu
vào và lấy chất thải bùn lắng đầu ra. Một kiểu khuấy trộn cải tiến nhằm
tăng hiệu quả khuấy trộn được trình bày trong hình 4-7, phương pháp này
giải quyết được vấn đề chất phân hủy tích lũy trong bể và tránh được hiện
tượng nghẹt ống.
Một phương pháp cải tiến khác của bể phân hủy Trung Quốc được trình

bày trong hình
4-8. Bộ phận khuấy trộn bao gồm 4 lưỡi bằng thép hàn dính vào thanh
bằng thép và việc khuấy trộn được thực hiện bằng tay, bằng cách di
chuyển đóa thép theo hướng lên và xuống một vài lần mỗi ngày. Bằng
phương pháp này, năng suất biogas đạt cao nhất khi thời gian lưu trong bể
là 30 ngày (HRT).
• Bể phân hủy kiểu n Độ (Floating gas holder digester)
Bể này bao gồm ống hình trụ, thông thường làm bằng gạch. p suất trong
bể được giữ ở mức hằng số bởi vì gas được sản xuất và thu trên lớp bề mặt
(hình 4.10 a, b). Bộ phận bao phủ thông thường được làm bằng loại thép
nhẹ, do vấn đề ăn mòn nên chúng được thay thế bằng ferrocement, nhựa,
sợi thủy tinh. Để giảm sự mất nhiệt bể phân hủy có thể chôn dưới đất.
Bể phân hủy kiểu này thì chất thải được cho vào theo kiểu bán liên tục và
lượng chất thải đầu ra bằng lượng chất thải đầu vào.
Dạng thiết kế này sử dụng rộng rãi tại n Độ, và áp dụng cho việc xử lý
phân gia súc. Dạng thiết kế này đơn giản tong việc xây dựng và bảo trì,
không đòi hỏi những người có kinh nghiệm xây dựng. Bể phân hủy kiểu n
Độ và Trung Quốc được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới.
• Bể phân hủy dạng dòng chảy (plug – flow digester) (horizontal
displasement digesters)
Bể thiết kế dạng dòng chảy này bao gồm một mương được cắt thành
rãnh dài trong đất và được lót xung quanh bằng bêtông hoặc bằng màng
không thấm. Bể phân hủy được bao phủ bằng chất bao phủ mềm dẻo nằm
trên mặt đất đóng vai trò như bình chứa gas hoặc bằng bêtông hay sắt
mạ điện. Vấn đề khó khăn chính của bể chứa này là phải đảm bảo điều
kiện dòng chảy thật sự, do đó chiều dài phải lớn hơn chiều rộng và chiều


13
cao (hình 4.11). Bể chứa các vật liệu được cho vào theo kiểu bán liên tục

và vò trí đặt tại cuối đáy bể. Bể phân hủy dạng túi có ưu điểm là nhẹ, dễ
thiết lập và bền (hình 4.12) và chi phí thấp, khí sinh ra được tích lũy trên
lớp mặt và được thu gom qua đường ống thu khí.
• Bể phân hủy kinh điển (conventional digester) truyền thống:
Bể phân hủy kiểu này được dùng để xử lý bùn trong nhà máy xử lý bùn từ
hệ thống cống rãnh. Lượng khí sinh ra là để cung cấp năng lượng trong
nhà máy xử lý hoặc là cung cấp nhiệt cho bể phân hủy. Hình 4.14 đưa ra
dạng thiết kế điển hình của bể phân hủy dạng hình trụ. Thành phần chính
của bể là pha trộn và hoan” lưu lại bùn đã bò phân hủy, bộ phận loại trừ
bọt, váng, bộ phận thu khí, bộ phận lấy bùn lắng đã được phân hủy. Vận
hành hệ thống đòi hỏi những người có chuyên môn và chế độ quan trắc.
Thể tích bể phân hủy kiểu này thường từ 250 – 12.000m
3
hoặc lớn hơn
nữa.
Bể phân hủy kiểu bám dính:
• Lọc yếm khí (Young and Mecarty, 1969):
Bể phân hủy kiểu này bao gồm cột lọc nước với các vật liệu lọc như đá, sỏi
và các dạng nhựa. Các cột lọc với các vật liệu lọc có bề mặt tiếp xúc càng
lớn (diện tích bề mặt trên đơn vò thể tích) thì số vi khuẩn bám dình vào
vật liệu càng nhiều và một số hiện diện trong các lỗ hổng giữa các vật liệu
lọc. Một cách tổng quát, vật liệu lọc trong bể lọc yếm khí cần thiết lập sao
cho tổng diện tích bề mặt lớn (tỷ lệ diện tích/thể tích) để cung cấp diện
tích bề mặt đủ lớn để các vi khuẩn bám dính phát triển, trong khi đó duy
trì thể tích lỗ hổng hợp lý để bảo vệ bể phản ứng ngăn cản các chất rắn lơ
lửng theo dòng thải. Các vật liệu thích hợp dùng trong bể lọc yếm khí trình
bày trong hình 4.16. Diện tích bề mặt của các vật liệu lọc sử dụng trong bể
lọc yếm khí trung bình là 100m
2
/m

3
. dòng thải có thể đi từ trên xuống
hoặc là đi từ dưới lên xuyên qua cột lọc yếm khí, tiếp xúc với các vật liệu
mà tại đó các vi khuẩn yếm khí tăng trưởng và bám trú trên các vật liệu
và rất khó theo dòng chảy sau khi xử lý, do đó thời gian lưu trữ của các vi
khuẩn trong bể (θ
C
) có thể lên đến 100 ngày và thời gian lưu nước trong bể
ngắn (HRT).


14
Bể lọc yếm khí có dòng chảy đi từ dưới lên sẽ có sự hình thành acid và
methane ở đáy và đỉnh bể lọc do đặc điểm cấu trúc vật lý của các bể lọc.
Do đó chỉ có chất thải hòa tan hoặc chất thải với hàm lượng chất rắn thấp
như nước thải sinh hoạt nên sử dụng trong phương pháp này để tránh hiện
tượng tắt nghẽn các bể lọc.


15
• Bể lọc UASB (Up – flow anaerobic sludge blanket) (Letting et
al.(1983)).
Bể lọc dạng này thích hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ
cao và chất rắn có hàm lượng thấp có hoặc không có hệ thống hoàn lưu
bùn. Bể phân hủy được phân thành 3 vùng: (1) lớp bùn nằm dưới đáy; (2)
lớp màng bùn nằm ở lớp giữa trung tâm; (3) lớp dung dòch nằm trên cùng.
Nước thải được đưa vào hệ thống từ đáy bể phản ứng và theo chiều từ dưới
lên xuyên qua lớp màng hình thành do các hạt liên kết nhau hình thành
do các phản ứng sinh học. Khí sinh ra trong điều kiện yếm khí (CH
4

và
CO
2
) gây nên sự xáo trộn bùn trong bể, giúp cho sự hình thành và duy trì
các phân tử sinh học. Một ít khí dạng bong bóng được hình thành trong
lớp màng và bám dính vào các phân tử sinh học và đẩy chúng lên trên
đỉnh của bể phản ứng khoảng chừng 80 – 90% các chất hữu cơ được phân
hủy tồn tại trong lớp mùn, và chiếm khoảng 30% tổng thể tích của bể
phản ứng. Để cho lớp màng được giữ ở trạng thái lơ lửng vận tốc chảy nên
duy trì ở mức 0.6 – 0.9m/h.
 Những vấn đề phát sinh trong khi sử dụng các bể phân hủy biogas
(Trouble–shooting)
Tất cả những vấn đề nẩy sinh đối với bể phân hủy sinh học trong quá
trình vận hành và bảo trì. Bảng 4.18 và 4.19 liên quan đến các vấn đề
trong bể phân hủy sinh học dạng vi khuẩn phân tán. Bảng 4.20 liên quan
đến các vấn đề bể phân hủy sinh học dạng vi khuẩn bám dính, đó là bể
lọc yếm khí và UASB.
7.5 Sản Xuất Biogas
Tỷ lệ năng suất biogas hình thành tính trên một đơn vò khối lượng chất
thải hữu cơ có thể biến đổi rất lớn tùy thuộc vào vật liệu đầu vào và điều
kiện môi trường trong bể phân hủy, khoảng biogas sản xuất là: 0.2 – 1.11
m
3
/kg chất rắn khô, CH
4
chiếm từ 57 – 69%.
Trong quá trình phân hủy yếm khí, lượng chất hữu cơ có thể phân hủy
bằng phương pháp (BOD
L
) được biến đổi thành các sản phẩm chính là:

1. CH
4
, CO
2
, NH
3
, H
2
và các loại khí khác


16
2. Tế bào sinh học
Chất HC sản xuất CH
4
= Chất HC ổn đònh – Chất HC dùng để sản xuất tế
bào (7-6)
= BOD
L
ổn đònh - BOD
L
sản xuất tế bào
(7-7)
Mối quan hệ giữa BOD
L
và CH
4
hình thành được mô tả như sau:
C
6

H
12
O
6
→ 3CH
4
+ 3CO
2
(7-8)
3CH
4
+ 6O
2
→ 3CO
2
+ 6H
2
O (7-9)
Từ phương trình cân bằng phản ứng ta có:
180 kg glucose sản xuất 48 kg CH
4

180 kg glucose sản xuất 192 kg BOD
L

Do đó 1 kg BOD
L
sản xuất:
= (48/180) x (180/192) kg CH
4

= 0.25 kg CH
4

= 0.25 kg x (10
3
mol/16 kg) x (22.4 l/mol) x (1m
3
/10
3
l)
= 0.35 m
3
CH
4
ở điều kiện nhiệt độ và áp suất chuẩn (STP), standard
temperature and pressure)
Thể tích CH
4
sản xuất m
3
/ngày
= 0.35 (BOD
L
ổn đònh – BOD
L
sản xuất tế bào) (7-10)
Ta có BOD
L
ổn đònh = EQS
o

(10
3
g/kg)
-1
kg/ngày (7-11)
Trong đó:
E: hiệu quả ổn đònh chất thải
Q: lưu lượng nước thải m
3
/ngày
S
o
: BOD đầu vào, g/m
3

C
5
H
7
O
2
N + 5O
2
→ 5 CO
2
+ NH
3
+ 2H
2
O + năng lượng

X
Phay
kg
Okg
∗
=== 42.142.1
113
160
2
L
BODlà
bàotế
(7-12)


17
Trong đó:
P
x
: khối lượng tế bào được sản xuất
Từ phương trình Monod, và cân bằng vật chất trong bể phản ứng không có
hoàn lưu tế bào, P
x
tính theo kg/ngày có thể biểu diễn như sau:
3
10
1
−
×
+

=
cd
O
X
k
QYES
P
θ
(7-13)
Trong đó:
Y: hệ số sinh trưởng vi khuẩn yếm khí (thông thường 0.05)
K
d
: hằng số tốc độ phân hủy nội bào vi khuẩn yếm khí (0.01 – 0.03 ngày
-1
)
θ
c:
thời gian lưu của tế bào, ngày
Thay thế 7–11, 7–12 và 7-13 vào 7-10 ta có:
Thể tích CH
4
tạo ra là: m
3
/ngày = 0.35 EQS
O
(10
-3
)[(1 -
cd

K
Y
θ
+1
42.1
(7-14)
Nếu biết được các giá trò Y, K
d
, E thì có thể tính được giá trò CH
4
.
Ghi chú: phương trình (7-14) chỉ áp dụng đối với bể phân hủy yếm khí, áp
dụng cho trường hợp tăng trưởng tế bào dạng phân tán và không có hoàn
lưu bùn.
Ví dụ 7.1: Nhà máy sản xuất bột mì, nước thải có đặc tính như sau:
Lưu lượng Q = 100 m
3
/ngày
BOD
5
= 10,000 mg/l
HRT = 10 ngày
Xác đònh số lượng CH
4
được sản xuất từ bể phân hủy dạng tăng trưởng
phân tán tế bào khi xử lý chất thải này và kích thước bể phân hủy. Giả
sử rằng các giá trò như sau: θ
c
:10 ngày, θ = 10 ngày, E = 0.65, Y:0.05 và
K

d
:0.02 ngày
-1

Giải đáp:


18
CH
4
được sản xuất là = 0.35(0.65)(100)(10,000)(10
-3
) x [1 - ⎨
)10(02.01
)05.0(42.1
+
⎬]
= 214 m
3
/ngày
Thể tích bể phân hủy: 100m
3
/ngày x 10 ngày = 1,000 m
3

Do thể tích bể quá lớn, do đó có thể chia bể ra làm 2, mỗi bể có thể tích
là: 500m
3
.
Ví dụ 7.2: Một hộ gia đình có 5 người cần khoảng 10m

3
methane để sử
dụng sinh hoạt hằng ngày. Xác đònh kích thước bể phân hủy biogas và các
bước trong quá trình vận hành để làm tối ưu lượng sản xuất. Vật liệu thô
ban đầu là bùn và rơm.


19


Bùn Rơm
Carbon hữu cơ (C), % tổng chất rắn 48 43
(N), % tổng chất rắn 4.5 0.9
Tổng chất rắn bay hơi (TVS), % tổng chất
rắn
86 77
Độ ẩm 82 14
Khối lượng riêng của bùn là 1.1 kg/l và của rơm là 0.1 kg/l; thời gian lưu
nước trong bể là (HRT) là 30 ngày.
Gọi m
1
và m
2
là khối lượng khô của bùn và rơm dùng để cho vào bể phân
hủy (kg/ngày). Điều kiện tối ưu để phân hủy kỵ khí là C/N = 25/1.
25
|009.0045.0
43.048.0
21
21

=
+
+
mm
mm
⇒ m
2
/m
1
= 0.645/0.205 = 3.15 (7-15)
Chọn tỷ lệ methane được sản xuất là: 0.3m
3
/kg TVS (tổng chất rắn bay
hơi)
Do đó TVS cần thiết là: 10/0.3 # 33.33 kg
Hay là: 0.86 m
1
+ 0.77 m
2
= 33.33 (7-16)
Dựa vào phương trình (7-15) và (7-16) ta có kết quả: m
1
= 10.16 kg/ngày
m
2
= 32 kg/ngày
- Khối lượng ướt của bùn là: 10.16/0.18 = 56.44 kg/ngày
- Khối lượng ướt của rơm là: 32/0.86 = 37.22 kg/ngày
ngàydụng/msửhơibayrắnChất
hơi/ngàybaychất rắnTổng

hủyphânbểcủatíchThể
3
−
=

Thông thường chất rắn bay hơi sử dụng/ ngày = 1 – 4 kg VS/(m
3
– ngày)
Chọn 2 kg VS/m
3
-ngày
Thể tích bể phân hủy là: 33.33/2 # 17 m
3
; thể tích lưu giữ gas bằng 1/3
thể tích bể


20
Để cung cấp một khoảng không gian lưu giữ gas thì thể tích bể phân hủy
là 22-25m
3
.
Thời gian lưu bể thông thường từ 10 –60 ngày, chọn trò số 30 ngày.
Thể tích chất thải cho vào bể mỗi ngày là 17m
3
/ 30 ngày = 0.57m
3
/ngày =
570 l/ngày.
Thể tích chất thải cho vào bể phân hủy mỗi ngày là:

(56.44/1.1) + (37.22/0.1) = 423.5 lít
Vậy thể tích nước cho vào chất thải mỗi ngày là 570 – 423.5 = 146.5
l/ngày.
7.6 Sản Phẩm Quá Trình Phân Hủy Yếm Khí
7.6.1 Biogas
Dựa vào giá trò nhiệt năng của biogas (4.500 – 6.300 kcal/m
3
). Hesse
(1982) ước tính khi đốt hoàn chỉnh 1 m
3
biogas có thể:
1. Chạy 1 động cơ 2HP trong 2 giờ
2. Cung cấp 1.25 kw-h điện
3. Cung cấp nhiệt để nấu 3 bữa ăn trong 1 ngày cho 5 người
4. Cung cấp 6h cho 1 bóng đèn 60W
5. Chạy 1 tủ lạnh công suất 1m
3
khoảng 1h
6. Chạy 1 máy ủ công suất 1 m
3
khoảng 0.5h
Vì vậy, 1m
3
biogas # 0.4kg dầu diesel; 0.6 kg xăng; hoặc 0.8 kg than.
Tại Trung Quốc 5.2% dân số vùng nông thôn và tại n Độ 0.8% người dân
nông thôn sử dụng biogas. Khoảng 95% nhà máy sản xuất biogas tại Châu
Á dạng sử dụng trong gia đình. Do đó mục đích sử dụng cơ bản của họ là
nấu ăn và thắp sáng, 5% còn lại sử dụng như tủ lạnh, phát điện, bơm nước
tưới tiêu.
Biogas từ quá trình phân hủy phân gia súc và các loại sản phẩm thừa từ

thực vật thông thường, hàm lượng H
2
S không cần phải loại trừ cho mục


21
đích nấu ăn và thắp sáng. Nếu gas lưu trữ và chuyên chở thì H
2
S được loại
trừ để tránh ăn mòn.
 Một số phương pháp để làm tinh khiết sản phẩm biogas:
- Loại trừ CO
2
:
CO
2
tan tương đối tốt trong nước, do đó dùng tháp rửa nước là phương pháp
đơn giản nhất để loại trừ CO
2
từ biogas. Phương pháp này có nhược điểm
là cần lượng nước rất lớn. Giả sử biogas chiếm 35% CO
2
và khối lượng
riêng của CO
2
là 1.84 kg/m
3
ở điều kiện 1 atm, 20
o
C thì lượng nước cần

thiết là 429 lít để rửa 1m
3
biogas.
CO
2
chuyển sang dạng khí acid, có thể hấp phụ bằng dung dòch kiềm.
3 loại hóa chất kiềm dùng để hấp phụ là: NaOH, Ca(OH)
2
, KOH.
2 phản ứng liên tục nhau (consecutive) dùng để loại trừ CO
2
bằng dung dòch
NaOH là:
NaOH + CO
2
→ Na
2
CO
3
+ H
2
O (7-17)
Na
2
CO
3
+ CO
2
+ H
2

O → NaHCO
3
↓ (7-18)
NaHCO
3
kết tủa và có thể loại trừ khỏi dung dòch.
Vôi hay là Ca(OH)
2
thì phong phú hơn và không đắt tiền, do đó có thể sử dụng
để loại trừ CO
2
.
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO
3
↓ + H
2
O (7-19)
CaCO
3
kết tủa và có thể loại trừ ra khỏi dung dòch. Dựa vào phương trình
(7-19) 1kg vôi trong 1m
3
nước có thể loại trừ 300 lít CO
2
hoặc 860 lít biogas
(giả sử CO

2
chiếm 35%)
- Loại trừ H
2
S:
Na
2
CO
3
hình thành trong phương trình (6-17) có thể dùng loại trừ H
2
S từ
biogas, thời gian tiếp xúc cần đủ lớn để các phản ứng xảy ra.
H
2
S + Na
2
CO
3
→ NaHS + NaHCO
3
↓ (7-20)


22
Phương pháp đơn giản hơn và kinh tế là cho lớp mạc sắt (iron filing) hoặc
oxyt sắt Fe
2
O
3

trộn với gỗ bào (vỏ bào) (shaving). Phương pháp này gọi là
“rửa khí thô”. Phản ứng trong quá trình loại trừ H
2
S là:
Fe
2
O
3
+ 3H
2
S → Fe
2
S
3
+ 3H
2
O (7-21)
Fe
2
O
3
có thể phục hồi bằng cách phơi hoặc làm nóng Fe
2
S
3
trong không
khí (hoặc oxygen) theo phản ứng sau đây:
2Fe
2
O

3
+ 3O
2
→ 2Fe
2
O
3
+ 3S
2

7.6.2 Bùn từ bể phân hủy
Mặc dù sau quá trình phân hủy hàm lượng các chất hữu cơ, chất rắn và
nitrogen đã giảm nhưng nồng độ vẫn ở mức cao, nên cần phải xử lý trước
khi thải bỏ. Bùn còn chứa nhiều loại mầm bệnh, do đó cần phải chú ý khi
tiến hành thải bỏ. Hàm lượng N trong bùn cao có thể dùng để làm ủ phân
compost, dùng để làm thúc ăn trong ao cá và phân bón cho đất.