xử lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG
TIỂU LUẬN
XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG CÔNG NGHỆ BIOGAS
GVHD: Trần Minh Chí
HỌC VIÊN: Đinh Công Hoàng
Đỗ Thị Bích Ngọc
Nguyễn Thị Thảo Nguyên
Nguyễn Thị Thiện Nhơn
- Tháng 12, 2013 -
MỤC LỤC
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua, nhiều mô hình chăn nuôi lợn và bò sữa được triển khai trên
địa bàn cả nước đã đem lại nguồn thu nhập cao, đóng góp vào sự phát triển kinh tế, cải
thiện đời sống cho nhân dân địa phương. Tuy nhiên, các mô hình chăn nuôi nhỏ lẻ trong
khu dân cư đã và đang để lại những hệ lụy nghiêm trọng, báo động về sự ô nhiễm môi
trường từ nguồn nước thải chăn nuôi.
Theo Cục chăn nuôi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), mỗi
năm, ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, với
phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý
xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Hiện cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình, 18.000 trang trại chăn nuôi
tập trung, nhưng mới chỉ có 8,7% số hộ xây dựng công trình khí sinh học (hầm Biogas).
Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũng chỉ chiếm 10% và chỉ có
0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường. Vẫn còn khoảng 23% số hộ chăn nuôi không
xử lý chất thải bằng bất kỳ phương pháp nào mà xả thẳng ra môi trường bên ngoài…gây
sức ép đến môi trường.

Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học là một giải
pháp chủ yếu để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, tiết
kiệm năng lượng rất hiệu quả ở các vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng công nghệ biogas
cho các hộ gia đình nông dân là rất cao, đặc biệt là đối với các hộ chăn nuôi trâu, bò, lợn
với quy mô hộ gia đình như nước ta hiện nay.
Trong bối cảnh tài nguyên năng lượng hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt,
năng lượng mới tái tạo đã và đang trở thành mối quan tâm không phải chỉ riêng mỗi quốc
gia nào mà trở thành vấn đề toàn cầu. Trước tình hình trên, từ hơn 20 năm qua, nhiều nhà
khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm nhiều loại năng lượng khác nhau, nhất là năng
lượng tái lập. Một trong những năng lượng gần gũi nhất với chúng ta đó là năng lượng có
từ sự phân hủy rác hữu cơ của gia đình và phân chuồng gia súc như trâu, bò, heo…đó
chính là năng lượng khí sinh học hay còn gọi là Biogas.
Trang 2
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Để mở rộng quy mô và phạm vi áp dụng mô hình Biogas có hiệu quả thì công việc
nghiên cứu về Biogas là rất quan trọng. Vì vậy nhóm quan tâm đến đề tài “Xử lý chất thải
chăn nuôi bằng công nghệ Biogas”.
2. Mục đích nghiên cứu:
Xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quản lý tại nguồn đối với chất thải rắn phát sinh
từ hoạt động chăn nuôi nhằm giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường phát sinh từ hoạt
động chăn nuôi ở nước ta.
3. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá hiện trạng hoạt động chăn nuôi gia súc, gia cầm của nước ta và những vấn đề
môi trường phát sinh từ hoạt động chăn nuôi.
- Đánh giá thực trạng áp dụng công nghệ xử lý chất thải rắn chăn nuôi bằng công nghệ
Biogas ở nước ta hiện nay.
- Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quản lý tại nguồn đối với chất thải rắn phát sinh
từ hoạt động chăn nuôi.
4. Phương pháp thực hiện:

Phương pháp thực hiện là phương pháp thu thập dữ liệu, tổng hợp tài liệu.
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công tác quản lý nhà nước đối với hoạt động chăn nuôi.
- Phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu,
đánh giá và xây dựng cơ sở dữ liệu đối với hoạt chăn nuôi bò và heo.
Trang 3
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ Biogas
1.1.1. Thế giới
a. Các nguồn lịch sử của công nghệ khí sinh học
Các hệ thống nghiên cứu đầu tiên về sản xuất khí sinh học bắt đầu một nhà nhà khoa
học Ý tên là Allesandro Volta, là một trong những người tham gia vào các nghiên cứu
điện hiện nay, và tên đơn vị điện áp đo được gọi là “V”. Vào những năm 1770 Volta để ý
đến khí đầm lầy trong trầm tích của các hồ ở miềm Bắc Italy, sau đó ông bắt đầu tiến hành
thí nghiệm về sự cháy của khí này. Faraday, nhà vật lý người Anh đã thử nghiệm với khí
đầm lầy và xác định nó như là một Hydrocacbon. Chỉ trong năm 1821, nhà nghiên cứu
Avogadro đã thiết lập công thức hóa học của khí mêtan (CH
4
). Nhà vi khuẩn học nổi tiếng
của Pháp, Pasteur vào năm 1884 đã tiến hành thử nghiệm với phân rắn. Ông là người đầu
tiên đề xuất việc sử dụng các phân từ các chuồng nuôi gia súc ở Paris để sản xuất khí đốt
giúp chiếu sáng đường phố.
Cùng với sự phát triển của công nghệ, năm 1897 tại một bệnh viện cho bệnh nhân ở
Bombay, Ấn Độ được xây dựng nhà máy đầu tiên, khí đốt được sử dụng cho chiếu sáng
và năm 1907 đã được cung cấp các công cụ để sản xuất điện.
Tại Đức, một kỹ sư từ nhà máy xử nước thải, gọi là “Emshersky”. Hôm nay, mỗi
nhà máy xử lý giai đoạn kỵ khí là sản xuất khí thải từ đó được sử dụng để sưởi ấm các lò

lên men hoặc cho nhiệt và điện.
Trang 4
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Hình 1: Nhà máy khí sinh học thành phố (Giai đoạn kỵ khí của các nhà máy xử lý)
Trước và trong chiến tranh thế giới II Đức, để đáp ứng nhu cầu tăng lên đối với
“nhiên liệu khí đốt” người ta đã cố gắng gia tăng sản xuất của khí thải bằng cách cho
thêm chất thải rắn hữu cơ được sử dụng một phương pháp gọi là Kofermentatsiey ngày
hôm nay. Năm 1940, ở Stuttgart lần đầu tiên cho thành công có thể pha trộn với dầu tách
chất béo.
b. Nguồn gốc của ngành khí sinh học trong nông nghiệp
Chỉ sau chiến tranh, nông nghiệp được cho là một nhà cung cấp tiềm năng nguyên
liệu của các khí sinh học – Đó là nguồn chất thải của gia súc.
Đại học lỹ thuật Darmstadt năm 1947 đã phát triển một nhà máy khí sinh học cho
các doanh nghiệp nhỏ nông nghiệp với một bể lên men ngang có tựa đề “Hệ thống
Darmstadt”. Các loại khác đối với phân rắn như đã biết và đã được phát triển tại Berlin và
Munich.
1.1.2. Việt Nam
Thời kỳ 1960 – 1975
ở miền Bắc Việt Nam những thông tin về việc sử dụng khí sinh học trong phong trào
“Đại nhảy vọt” của Trung Quốc vào những năm 1957-1960 đã gây ra sự chú ý của nhiều
người. Tại một số địa phương, nhiều các nhân và cơ quan đã tìm hiểu và xây dựng thử các
thiết bị khí sinh học như Hà Nội, Bắc Thái, Hà Nam Ninh, Hải Hưng. Tuy nhiên, vì
những lý do về kỹ thuật và quản lý, các công trình này không đạt hiệu quả mong muốn.
Ở miền Nam Việt Nam, năm 1960, Nhà khảo cứu và Nông Lâm súc của chính quyền
Sài Gòn có thí nghiệm biện pháp sản xuất khí mêtan từ phân động vật, nhưng do việc
nhập cảng ồ ạt các loại khí Butan, Propan và phân hóa học nên ý đồ triển khai việc nghiên
cứu đã không được thực hiện.
Thời kỳ 1976 – 1980
Sau khi đất nước thống nhất (1975), trước nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội hóa,

nâng cao mức sống của nhân dân, các dạng năng lượng mới và tái tạo nói chung, trong đó
có khí sinh học nói riêng lại được chú ý tới.
Thiết bị sản xuất khí sinh học được lựa chọn để thử nghiệm ban đầu thuộc loại nắp
nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và có cổ bể có gioăng nước để gữi kín khí được
tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, những công trình này đã phải bỏ dở vì những lý do kỹ
thuật và quản lý. Tới cuối năm 1979, công trình khí sinh học ở nông trường Sao Đỏ (Mộc
Châu, Sơn La) có thể tích phân hủy là 27 m3 đã hoàn thành và hoạt động tốt. Kết quả này
Trang 5
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
là nguồn cổ vũ khích lệ lớn đối với cán bộ nghiên cứu, những nhà quản lý và nhân dân,
đặt cơ sở cho việc triển khai tiếp tục công nghệ khí sinh học sau này.
Thời kỳ 1981 – 1990
Trong hai kỳ kế hoạch 5 năm, từ 1981 – 1985 và 1985 – 1990 công nghệ khí sinh
học đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong Chương trình nghiên cứu cấp nhà
nước về Năng lượng mới (mã số 52C).
Đến năm 1990, nhiều tỉnh trong toàn quốc đã có những công trình khí sinh học được
xây dựng. Phát triển mạnh mẽ nhất là các tỉnh ở phía Nam vì có những điều kiện thuận lợi
về kinh tế - xã hội và khí hậu. Tính chung trong toàn quốc thời kỳ này có khoảng trên
2.000 công trình.
Thời kỳ 1991 tới nay
Sau khi kết thúc kế hoạch 1986 – 1990, chương trình 52C giải thể. Hoạt động
nghiên cứu và triển khai về năng lượng mới không được đưa vào chương trình Năng
lượng của nhà nước, việc phát triển năng lượng mới bị chững lại.
Từ năm 1993 tới nay, công nghệ khí sinh học được phát triển mạnh mẽ trong khuôn
khổ các dự án về vệ sinh môi trường, nông nghiệp và phát triển nông thôn với nhiều kiểu
thiết bị khí sinh học mới. thiết bị dạng túi dẻo PE theo mẫu của Côlômbia, được phát triển
nhờ dự án SAREC – S2 – VIE22 do Viện chăn nuôi Quốc gia, Hội làm vườn Trung ương
(VACVINA), cục khuyến nông và Khuyến Lâm và trường Đại học Nông Lâm thành phố
Hồ Chí Minh triển khai. Thiết bị nắp cố định có vòm bán cầu bằng compozit, phần đước

xây bằng gặp lúc đầu có dạng hình trụ, nay “cải tiến” thành dạng hình hộp do Trung tâm
tư vấn hỗ trợ phát triển nông thôn (RDAC) thực hiện.
Bên cạnh đó, nhiều Sở Khoa học Công nghệ cũng tự nhiên nghiên cứu và đưa ra
những kiểu riêng như Phú Thọ, Quảng Trị…
Tóm lại, trong giai đoạn này do không có tổ chức đầu mối quản lý, nên việc phát
triển công nghệ khí sinh học rất đa dạng và tự phát. Để thống nhất quản lý nhà nước về
công nghệ khí sinh học, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã ban hành tiêu chuẩn
ngành về công trìn khí sinh học quy mô nhỏ.
Tới nay ước tính số lượng công trình khí sinh học đang hoạt động trong toàn quốc
vào khoảng trên 100.000 công trình, trong đó có gần 30.000 công trình là loại công nghệ
túi ni long. Tỉnh dẫn đầu về số lượng loại này là Tiền Giang với trên 5.000 túi. Về loại
thiết bị nắp cố định, tỉnh dẫn đầu là Hà Tây với khoảng trên 7.000 công trình, nhiều nhất
ở huyện Đan Phượng.
1.2. Thành phần và tính chất của Biogas
Trang 6
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Biogas là một loại năng lượng sinh học có được từ sự nén, khử hay lên men trong
điều kiện yếm khí của những vật chất có nguồn gốc hữu cơ như phân chuồng, bùn trong
hệ thống cống rảnh, rác phế thải gia cư, hoặc các loại rác hữu cơ có thể bị sinh phân hủy.
Biogas là một hỗn hợp khí nhẹ hơn không khí, nhiệt độ bốc lửa khoảng 700
0
C (đối
với dầu DO, khoảng 350
0
C; đối với xăng gas và propane khoảng 50
0
C). Nhiệt độ ngọn lửa
sử dụng biogas khoảng 870
0

C.
Thành phần biogas bao gồm 50-70% CH
4
; 35-50%CO
2
, hàm lượng hơi nước khoảng
30-160 g/m
3
; hàm lượng H
2
S 4-6 g/m
3
. Giá trị năng lượng khoảng 5,96 kWh/m
3
và tỷ
trọng 0,94 kg/m
3
. Lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy của biogas khoảng 5,7
m
3
không khí/ m
3
biogas, với tốc độ cháy khoảng 40cm/s.
Quá trình phân hủy diễn ra càng lâu, nồng độ metan và giá trị năng lượng càng cao.
Khi thời gian lưu ngắn, hàm lượng metan sẽ giảm xuống 50%, khi đó biogas không còn
khả năng cháy nữa. Vì vậy, lượng Biogas sinh ra sau 4-5 ngày đầu tiên sẽ được xả bỏ.
Hàm lượng khí CH
4
trong biohas phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng thấp, hàm lượng
CH

4
trong Biogas càng cao, nhưng lưu lượng Biogas sinh ra thì ngược lại. Hàm lượng
CH
4
sinh ra đối với từng loại chất thải điển hình được liệt kê như sau:
- Chất thải của trâu, bò: 65%
- Chất thải của gia cầm: 60%
- Chất thải của heo: 67%
Lượng khí sinh ra được xác định bằng (Nm
3
) biogas hoặc (Nm
3
) CH
4
. Việc xác định
theo (Nm
3
) Biogas sẽ nhanh hơn, nhưng không chính xác bằng phương pháp xác định
theo (Nm
3
) CH
4.
Qua đó giá trị năng lượng của 1 m
3
biogas chứa 62% CH
4
khoảng 22MJ, tương ứng
với năng lượng điện khoảng 6kWh. Về hệ số tỷ lượng cháy, nhu cầu không khí cho quá
trình cháy khoảng 9,6 m
3

không khí/ m
3
CH
4
, tức khoảng 5,75 m
3
không khí/ m
3
Biogas.
Khí sinh học có thể sử dụng cho các mục đích như: Đun nấu, thắp sáng rất thuận
tiện. Ngoài ra cũng có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng dầu chạy cho động cơ đốt
trong để phát điện, kéo các máy công tác ở những vùng thiếu nhiên liệu.
Khí sinh học được dùng để sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh hấp phụ
và hiệu quả khi phối hợp với hầm mát để bảo quan hoa quả tươi, ngâm hạt giống.
Bảng 1. Thành phần và một số tính chất cơ bản của Biogas
Trang 7
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thông số Đơn vị CH
4
CO
2
H
2
H
2
S
Hỗn Hợp Khí
Biogas ( 60%
CH

4
;40% CO
2
)
% thể tích % 55-70 27-44 1 3 100
Giá trị lưới năng
lượng (n.c.v)
kJ/Nm
3
35.800 - 10.800 22.800 21.500
Giới hạn cháy nổ %V 8-10 - 4-80 4 – 4,5
6 – 12
Điểm bốc cháy
0
C 650-750 - 585 - 650 – 750
Tỷ trọng (thông
thường)
g/l 0,72 1,98 0,09 1,55 1,2
Hệ số tỷ trọng với
không khí
0,55 2,5 0,07 1,2 0,83
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Trang 8
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
1.3. Tổng quan công nghệ Biogas trong nông nghiệp
1.3.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất Biogas
1.3.1.1. Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật
Nguyên liệu có nguồn gốc động vật bao gồm chất thải (phân và nước tiểu) của gia
súc, gia cầm và chất thải của người,…

Số lượng chất thải trên một đầu động vật phụ thuộc vào khối lượng cơ thể và chế độ
dinh dưỡng. Bảng 1 cho ta thấy ước tính sản lượng chất thải
Bảng 2: Lượng chất thải hàng ngày của động vật và người
Các loại chất thải này được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên dễ phân
giải và nhanh chóng tại khí sinh học. Tuy vậy, thời gian phân giải của phân không dài
(khoảng 2-3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được cũng không lớn.
Chất thải gia súc như trâu, bò, lợn phân giải nhanh hơn chất thải gia cầm và chất thải
người, nhưng sản lượng khí của chất thải gia cầm và chất thải người lại cao hơn.
1.3.1.2. Nguồn gốc từ thực vật
Các nguyên liệu thực vật gồm lá cây và cây thân 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 (rông, bèo, các cây phân xanh…). Gỗ và thân cây già rất khó
phân giải nên không dùng làm nguyên liệu được
Nguyên liệu thực vật thương có lớp vỏ cứng rất khó bị phân giải. Để quá trình phân
giải kỵ khí diễn ra được thuận lợi, người ta thường phải xử lý sơ bộ (cắt nhỏ, đập dập, ủ
hiếu khí) trước khi nạp chúng vào thiết bị khí sinh học để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện
tích tiếp xúc cho vi khuẩn tấn công.
Trang 9
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với chất thải động
vật. Do vậy nguyên liệu thực vật nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéo
dài từ 3 – 6 tháng.
1.3.1.3. Sản lượng khí thực tế của các loại nguyên liệu
Trong thực tế, sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị khí
sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân giải trong một thời gian
nhất định và chưa phân giải hoàn toàn.
Bảng 3 cho chúng ta số liệu tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp. Sản
lượng khí hàng ngày được tính theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày (lít/kg/ngày). Chất
thải động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàng ngày. Thực vật được nạp

từng mẻ.
Bảng 3: Đặc tính và sản lượng khí sinh học của một số nguyên liệu thường gặp
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản sinh khí sinh học
Quá trình phân giải tạo khí sinh học chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Chúng ta xét
tới những yếu tố quan trọng nhất cần thiết trong xây dựng và vận hành thiết bị để đảm bảo
cho thiết bị vận hành tốt nhất và sản sinh ra sản lượng khí sinh học như người ta mong
muốn. Quá trình chuyển hóa các thành phần hữu cơ tạo biogas được thực hiện bởi các
nhóm VSV. Các VSV này sử dụng một số enzym để làm chất xúc tác cho phản ứng sinh
học. Hoạt động của các enzym này đòi hỏi các điều kiện hóa lý riêng (hay còn goại là
điều kiện môi trường) nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển hóa sinh học. Các yếu tố hóa lý
quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng sinh khối bao gồm nhiệt độ, pH, tỷ lệ
Trang 10
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
C/N, điều kiện dinh dưỡng, yếu tố gây độc của các thành phần dạng vết, tốc độ oxy hóa
khử của cơ chất, thành phần độ ẩm, thời gian lưu trong hầm. Mức độ ảnh hưởng của các
yếu tố này xét trên nhiều khía cạnh khác nhau được trình bày chi tiết như sau:
a. Môi trường kỵ khí
Quá trình lên men tạo khí sinh học là do những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc tham gia,
trong đó các vi khuẩn sinh mê tan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi
khuẩn kỵ khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì
vậy phải đảm bảo điều kiện khí tuyệt đối của môi trường lên men. Sự có mặt của oxy hòa
tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi cho quá trình phân giải kỵ khí.
b. Nhiệt độ
Hoạt động của vi khuẩn sinh mê tan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ. Trong điều
kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 35
0
C. Sản lượng khí giảm rõ rệt khi
nhiệt độ môi trường giảm. Dưới 10
0

C quá trình sinh mê tan hầu như ngừng hẳn.
Trong quá trình phân hủy tạo biogas, nhiệt độ ảnh hưởng tới tốc độ của phản ứng
sinh học, độ hòa tan của các kim loại nặng (yếu tố gây độc), độ hòa tan của CO
2
và thành
phần biogas sinh ra. Khi nhiệt độ môi trường tăng, tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng theo
và do đó tốc độ sinh khí biogas sẽ cao.
Tốc độ sinh khí biogas sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10
0
C. Tuy nhiên, điều này
hầu như không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa
biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ba khoảng nhiệt độ mà vi
khuẩn hoạt động hiệu quả nhất là:
- T < 15
0
C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh;
- T = 15 - 45
0
C : Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình;
- T = 45 - 65
0
C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt;
Trong phản ứng biogas, hai khoảng nhiệt độ hoạt động của hai nhóm vi khuẩn ưa
nhiệt độ trung bình (khoảng 25 - 37
0
C) và vi khuẩn ưa nhiệt (khoảng 55
0
C) là quan trọng
vì quá trình phân hủy yếm khí sẽ dừng lại khi nhiệt độ thấp hơn 10
0

C.
Vấn đề ảnh hưởng thứ 2 của nhiệt độ là độ hòa tan của CO
2
và kim loại nặng. Độ tan
của CO
2
giảm khi nhiệt độ tăng, và ngược lại, ở nhiệt độ thấp hàm lượng CO
2
hòa tan
trong pha lỏng sẽ cao. Đối với kim loại nặng, khả năng hòa tan tăng theo nhiệt độ và do
đó, tại nhiệt độ cao, sự có mặt của chúng có thể là yếu tố gây độc.
Trang 11
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Một điểm bất lợi của quá trình phân hủy nhiệt độ cao đó là, trong thành phần biogas
sinh ra sẽ có sự hiện diện của khí H
2
S, gây mùi hôi. Sản lượng biogas sinh ra trong một
mô hình hầm ủ thông thường của Trung Quốc theo số liệu thực nghiệm khoảng 0,15 m
3
khí/ m
3
phân ở nhiệt độ 15 -17
0
C; 0,2 -0,3 m
3
/ m
3
ở 22 – 28
0

C và 1,5 m
3
/ m
3
ở 35 – 38
0
C.
Lưu lượng biogas thu được cao nhất từ nguồn nguyên liệu phân bò khoảng 4,5 m
3
CH
4
/
m
3
phân.ngày ở nhiệt độ 35 – 38
0
C ( tức khoảng 9 m
3
biogas/ m
3
phân.ngày).
Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm đối với sự biến thiên của nhiệt độ, điều
quan trọng là phải duy trì một nhiệt độ không đổi riêng biệt. Nguồn nguyên liệu có nhiệt
độ thấp, hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt không tốt, hoặc quá trình vận hành để xảy ra sự
phân tầng nhiệt độ… có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm
năng suất sinh biogas. So với vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt nhạy cảm
với nhiệt độ hơn.
Đồ thị 1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí với thời gian phân
giải 120 ngày với các loại phân. Các vi khuẩn sinh mê tan không chịu được sự thăng
giáng nhiệt độ quá nhiều trong ngày. Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí. Vì vậy vào mùa

đông cần phải giữ ấm cho thiết bị, thậm chí đối với các vùng lạnh cần phải đảm bảo cách
nhiệt tốt cho quá trình lên me. Đôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải gia
nhiệt cho dịch men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men.
Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí
Trang 12
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
c. Độ pH
Độ pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn là 6,8 – 7,5 tương ứng với môi trường hơi
kiềm. Tuy nhiên, vi khuẩn sinh mê tan vẫn có thể hoạt động trong giới hạn độ pH từ 6,5 –
8,5.
Hầm phân hủy hoạt động tốt ở pH ≥ 7,0 ( trong môi trường độ kiềm yếu). Sự xuất
hiện một số ion sau có thể làm ảnh hưởng đến pH của hầm: HCO
3
-
, H
2
CO
3
-
, NH
4
+
,
CH
3
COO
-
, Ca
2+

… gốc HCO
3
-
góp phần làm tăng độ kiềm bicacbonat thông qua phản ứng
thuận nghịch sau:
HCO
3
-
+ CH
3
COOH ⇔ H
2
O + CO
2
+ CH
3
COO
-
Dãy pH tối ưu của hầm ủ nằm trong khoảng trung tính (6,8 -7,4). Khi tỷ lệ sinh các
axit béo bay hơi vượt quá khả năng vi khuẩn metan hóa có thể sử dụng, pH sẽ giảm xuống
dưới mức tối ưu. Để tăng pH trở lại, quá trình vận hành cần bổ sung thêm độ kiềm cho
hầm phân hủy, lấy từ nguồn bên ngoài. Độ kiềm bicabonat trong quá trình phân hủy kỵ
khí cần duy trì ở mức ≥ 1.000 mg CaCO
3
/l để đảm bảo pH thích hợp. Nếu vận hành đúng
theo nguyên tắc, tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tổng công phải duy trì ở mức 0,5.
Sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của các enzym. Các VSV và enzym
của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ưu, thể hiện qua các tác động về
chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng hoạt hóa của các enzym. Mỗi enzym chỉ có
hoạt tính trong một dãy pH nhất định. Hiện tượng pH bị lệch khỏi khoảng pH tối ưu có

thể gây ra các tác động sau đây đối với các enzym:
− Làm thay đổi độ ổn định của các nhóm enzym có khả năng ion hóa.
− Làm thay đổi các thành phần enzym không có khả năng oxy hóa trong hệ thống.
− Làm biến tính hệ enzym.
Các vi khuẩn metan hóa nhạy cảm với sự thay đổi pH hơn so với vi khuẩn axit hóa
và chỉ hoạt động trong khoảng pH hẹp (pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn metan hóa
khoảng 6,8-8,5; vi khuẩn axit hóa có thể tồn tại trong môi trường pH thấp khoảng 5,5).
Nồng độ và dạng tồn tại của amonina cũng có ảnh hưởng quan trọng đến pH của
hầm ủ. Tuy nhiên, pH của hầm ủ cũng sẽ quyết định trạng thái tồn tại của amoniac (NH
3
).
Amonia tồn tại ở dạng NH
4
+
không gây độc đối với vi khuẩn, ngược lại với amonia tự do.
Nồng độ NH
3
ở mức 100ppm sẽ rất độc và có thể là nguyên nhân gây hỏng hầm ủ.
d. Đặc tính của nguyên liệu
Trang 13
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
 Hàm lượng chất khô
Hàm lượng chất khô thường biểu thị là phần trăm.
Quá trình phân giải sinh khí mê tan xảy ra thuận lợi nhất khi nguyên liệu có hàm
lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 – 9% đối với chất thải động vật. Đối với bèo tây hàm
lượng này là 4 -5%, còn rơm rạ là 5 -8%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất
khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị khí sinh học cần phải thêm nước. Tỷ lệ
pha loãng thích hợp là 1 – 3 lít nước cho 1 kg chất thải tươi.
Hình 3: Quan hệ giữa hàm lượng chất khô và sản lượng khí

 Tỷ lệ Cac bon và Nitơ của nguyên liệu
Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hóa học trong đó chủ yếu là
cacbon (C), hydro (H), nito (N), photpho (P) và lưu huỳnh (S).
Tỷ lệ giữa các lượng cacbon và nito (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một
chỉ tiêu đánh giá khả năng phân giải của nó. Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn
nito khoảng 30 lần. Vì vậy, tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá
cao thì quá trình phân giải xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân
giải ngừng trệ vì tích lũy nhiều anoniac là một độc tố đối với vi khuẩn nồng độ cao.
Nói chung chất thải trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp. Chất thải người và gia
cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu càng già thì
tỷ lệ càng cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp đối với các nguyên liệu này ta nên dùng
hỗn hợp nhiều nguyên liệu.
e. Thời gian lưu
Trang 14
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân giải. Đây là khoảng
thời gian dịch phân giải sản sinh ra khí sinh học.
Đại lượng này được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể tích nguyên
liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn vị thời gian lưu nước là ngày.
Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát triển chậm
nhất có thể tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất rắn trong hầm
đảm bảo được tính ổn định tốt. Nếu thời gian lưu chỉ còn một nửa so với yêu cầu, lượng
khí biogas sinh ra sẽ giảm và quá trình phân hủy khi đó sẽ ngưng tệ do số lượng vi khuẩn
cấy được giảm đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả nữa. Nếu thời gian lưu nước lớn
hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 35
0
C, lượng biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu
có tăng lên nữa thì lượng biogas cũng không tăng thêm nhiều. Do đó, thời gian lưu càng
lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp.

Thời gian lưu và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng đối với việc loại trừ các tác nhân
gây bệnh. Nếu yếu tố an toàn vệ sinh và sức khỏe được xem xét đến thì các giá trị này
phải lớn hơn ngưỡng giá trị nhỏ nhất.
Quá trình phân hủy hoặc lên men của chất hữu cơ dưới điều kiện kỵ khí diễn ra rất
chậm, do đó những cơ chất này phải được duy trì trong hầm ủ trong thời gian dài để quá
trình phân hủy diễn ra hoàn toàn. Thời gian lưu biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị
hóa giải dưới điều kiện này. Trong một số thiết kế hầm biogas, phần tế bào hoạt tính ở đầu
ra được tuần hoàn lại hầm phân hủy nhằm tăng thời gian lưu của phần sinh khối này.
Thời gian lưu của các nguồn cơ chất khác nhau được quyết định bởi khả năng phân
hủy sinh học của chúng, khả năng thích ứng với các enzym và tính chất lý hóa của nguồn
cơ chất. Thời gian lưu quyết định chi phí xây dựng hầm ủ. Thời gian lưu càng cao, đồng
nghĩa lượng khí sinh ra sẽ nhiều hơn nhưng điều đó sẽ làm gia tăng chi phí đầu tư ban đầu
của hầm ủ. Thời gian lưu ngắn sẽ dẫn đến hiện tượng tổn thất sinh khối và gia tăng chi phí
vận hành.
Thời gian phân hủy của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ở giai
đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một khoảng thời gian lưu, nó
Trang 15
Thể tích hầm phân hủy (m
3
)
T (ngày) =
Khối lượng nguyên liệu đầu vào (m
3
/ ngày)
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
tiến tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất. Đối với vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, thời gian phân
hủy tối ưu khoảng 20-30 ngày. Đối với vi khuẩn ưa nhiệt thời gian phân hủy chỉ từ 3-10
ngày. Chủng loại vi khuẩn này có thể phân hủy tạo lượng khí nhiều hơn trong khoảng thời
gian ngắn hơn.

Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày. Khi một lượng
nguyên liệu mới nạp vào, bó sẽ chiếm chỗ cho nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ
về phía lối ra. Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từ lối vào
tới lối ra. Trong điều kiện Việt Nam, tiêu chuẩn ngành 10TCN 97-2006 đã quy định thời
gian lưu đối với chất thải động vật như bảng 3.
Bảng 4: Thời gian lưu đối với chất thải động vật theo tiêu chuẩn ngành
f. Thành phần độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào
Nước là nhu cầu tất yếu cho sự sống và hoạt động của vi sinh vật. Hơn nữa, nước
là môi trường cần thiết cho sự di chuyển của vi khuẩn, hoạt động của các enzym ngoại
bào và thủy hóa các polyme sinh học, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy.
Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nước trong hầm phân hủy sẽ làm tăng thể tích
hầm và trở nên cồng kềnh. Do đó, độ ẩm trong hầm phải được duy trì ở mức tối ưu. Hàm
lượng độ ẩm đối với từng loại cơ chất khác nhau sẽ khác nhau, tùy thuộc vào tính chất
hóa học và khả năng phân hủy sinh học của chúng. Theo các nguyên cứu cho thấy, hiệu
suất của quá trình phân hủy sẽ giảm khi hàm lượng chất rắn lơ lửng (TS) tăng. Do đó điều
quan trọng là phải xác định hàm lượng TS tối ưu cho hỗn hợp nguyên liệu đầu vào theo
từng loại nguyên liệu và từng kiểu hầm ủ khác nhau. Ví dụ như trường hợp nguyên liệu
đầu vào là phân bò, có hàm lượng TS 18%, do đó phải hòa trộn với nước theo tỷ lệ 1:1 về
khối lượng để đảm bảo hỗn hợp thu được có nồng độ TS 9%. Hỗn hợp phân bò dạng bùn
nhão này sẽ dễ thao tác và tự chảy dễ dàng vào hầm phân hủy.
Đối với các dạng hầm ủ mà nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn như giấy, bã mía,
sinh khối… với tỷ trọng tương đối thấp thì lực đẩy nổi từ các bọt khí bám chặt vào sẽ làm
Trang 16
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
nguyên liệu nổi lên trên mặt hầm ủ, khi đó quá trình phân hủy sẽ không diễn ra được.
Chính vì vậy quá trình phân hủy đòi hỏi phải có sự hiện diện của pha lỏng. Trong trường
hợp nguyên liệu là sinh khối thải, nguyên cứu cho thấy, sinh khối bùn tươi sẽ phân hủy dễ
dàng hơn so với bùn khô.
Khi thành phần độ ẩm quá cao, điều đó có nghĩa là nhiệt độ chất thải thấp, kết quả là

sản lượng biogas sinh ra sẽ giảm. Nếu thành phần độ ẩm quá thấp, các axit hoạt tính sẽ tích
lũy và gây trở ngại cho quá trình lên men. Đối với hầu hết các loại hầm ủ biogas, tỷ lệ nguyên
liệu thô đầu vào: nước lý tưởng phải đạt mức 1:1. Hàm lượng TS tối ưu khoảng 7-9%.
Sản lượng khí biogas sinh ra là phụ thuộc vào hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu
đầu vào và khả năng phân hủy sinh học của chúng trong hầm phân hủy. Hàm lượng TS
càng cao, hầm phân hủy sẽ có thể tích càng nhỏ và chi phí đầu tư cho hệ thống sẽ thấp.
Tuy nhiên, một số nguyên cứu về vai trò của nước trong hầm lên men kỵ khí cho
thấy, xét một cách tương đối, thành phần chất hữu cơ khô, khi lên men cũng có thể
chuyển hóa thành metan hiệu quả. Nghiên cứu cũng cho thấy, tốc độ và hiệu suất của quá
trình lên men kỵ khí không ảnh hưởng bởi thành phần độ ẩm khi hàm lượng độ ẩm thấp
hơn 68% tổng khối lượng (khi hàm lượng độ ẩm giảm xuống 60-68% tổng khối lượng sẽ
gây ra hiện tượng tích tụ các axit bay hơi và ức chế khả năng tạo khí Biogas). Quá trình
lên men khi hàm lượng nước thấp hơn 68% được gọi là lên men khô.
g. Các độc tố
Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số độc tố. Khi hàm lượng của các
loại này có trong dịch phân giải vượt quá một giới hạn nhất định sẽ tiêu diệt các vi khuẩn,
vì thế không cho phép các chất này có trong dịch phân giải.
Trong thực tế các loại hóa chất như thuốc trừ sau, diệt cỏ, thuốc sát trùng, các chất
kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn và các chất tẩy rửa không được cho
phép vào các thiết bị khí sinh học.
Bảng 5. Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại
Thành phần mg/l
Sunfate SO
4
2-
5.000
NaCl 40.000
Cu 100
Cr 200
Ni 200-500

Trang 17
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thành phần mg/l
Cianua ( CN) <25
Hợp chất bề mặt 40 ppm
Amonia 3.000
Na 5500
K 4.500
Ca 4.500
Mg 1.500
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Bảng 6: Tóm tắt điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học
1.3.3. Nguyên lý của quá trình chuyển hóa
Về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giữ trong hầm kín vài ngày sẽ
chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạnh khí – khí sinh học (Biogas), có khả năng
cháy được với thành phần chính là metan và cacbon dioxide, trong đó thành phần metan
chiếm khoảng trên 50%. Quá trình này được gọi là quá trình lên men kỵ khí hoặc quá
trình sản xuất khí metan sinh học.
Một hệ thống biogas bao gồm hầm biogas, thiết bị thu khí được lắp đặt trực tiếp
trên nắp hầm, hệ thống ngăn và đường ống cấp nguyên liệu đầu vào (chất thải thô và
nước). Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đường ống dẫn chất thải (bùn sau khi lên men)
để sử dụng làm phân bón sinh học.
Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật sẽ được các
vi sinh vật kỵ khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dưỡng cơ bản có
ích cho thực vật và đất mùn. Quá trình này đòi hỏi một số điều kiện tối ưu như độ ẩm,
Trang 18
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
nhiệt độ, bóng tối…trong hầu hết các giai đoạn của quá trình phân hủy, không có sự hiện

diện của oxy từ môi trường không khí, sự tồn tại của vi khuẩn kỵ khí chiếm ưu thế,
chuyển hóa các hợp chất dạnh hydrocacbon. Các thành phần dinh dưỡng như hợp chất
chứa nitơ dạng hòa tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân hủy và là nguồn phân bón
giàu dinh dưỡng cho đất mùn.
Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn thủy phân.
- Giai đoạn hình thành axit.
- Giai đoạn lên men metan.
Các giai đoạn này được thực hiện bởi 2 loại vi khuẩn – vi khuẩn axit hóa và vi
khuẩn metan hóa. Chu trình chuyển chất thải hữu cơ thành biogas qua các phản ứng phức
tạp, về cơ bản có thể chia thành 2 pha chính:
- Pha 1 – pha axit: Bao gồm giai đoạn thủy phân và giai đoạn tạo axit liên kết với nhau,
trong đó các chất thải hữu cơ sẽ chuyển hóa phần lớn thành acetate.
- Pha II – pha metan: Là giai đoạn 3 trở lên, trong đó khí CH
4
và CO
2
được tạo thành.
Hai bước đầu tiên của quá trình là nhân tố chính, qua đó liên kết các hợp chất hữu
cơ mạch dài bị bẽ gãy, hình thành axit. Khí metan được sinh ra do hoạt động của vi khuẩn
kỵ khí, chủ yết tại bước 3. Ba bước chính của quá trình như sau:
Tạo axit ( thủy phân)
(1) Khử axit
(2) Sinh khí CH
4
Pha I Pha II
Giai đoạn tạo axit Giai đoạn khử axit Giai đoạn hình thành khí CH
4

(Thủy phân)

1 2 3

Trang 19
Pha I
Pha II
Biogas CH
4
và
CO
2
Axit acetic
Axit HC yếu
Rượu
Protein
Cacbonhydrat
Chất béo
Axit acetic
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Vi khuẩn lên men Vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn metan hóa
Hình 4. Các bước của quá trình tạo khí metan
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
a. Giai đoạn tạo axit (Thủy phân)
Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị khử
thành các monome (phân tử cơ bản). Sản phẩm của quá trình bao gồm:
- Chất béo axit béo
- Protein amino axit
- Hydratcacbon đường
Sản phẩm của giai đoạn này sẽ được các vi khuẩn lên men chuyển hóa, hình thành
các sản phẩm như:

- H, H
2
O, CO
2
, NH
4
, H
2
S
- Axit acetic CH
3
COOH
- Rượu và các axit hữu cơ yếu.
b. Giai đoạn khử axit
Trong bước này vi khuẩn acetogeic sẽ chuyển hóa rượu và các axit hữu cơ yếu thành
các sản phẩm sau:
- H, H
2
O, CO
2.
- Axit acetic CH
3
COOH.
c. Giai đoạn tạo CH
4
Trong bước thứ 3 – bước cuối cùng của quá trình chuyển hóa, axit acetic được hình
thành ở bước 1 và 2 sẽ chuyển hóa thành CH
4
và CO
2

nhờ hoạt động của vi khuẩn metan.
Trong quá trình phân hủy sẽ xuất hiện các bọt khí H
2
S nhỏ và tích lũy một phần nhỏ
trong thành phần khí biogas. Khí H
2
S được sinh ra trong giai đoạn thủy phân khi các VSV
bẽ gãy amino axit methionine thiết yếu. Trong giai đoạn metan hóa, H
2
S cũng tiếp tục
được sinh ra do các nhóm VSV khử sunfat khác nhau sử dụng axit béo (đặc biệt là acetat),
protein làm nguốn cơ chất cho quá trình phân hủy.
Cả 3 giai đoạn trên càng có sự lên kết thì quá trình phân hủy, lên men chất hữu cơ
trong hầm ủ diễn ra càng nhanh.
Trang 20
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Trang 21
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Nguyên liệu thô Quá trình chuyển hóa Sản phẩm cuối cùng
Sinh khối (chất thải hữu cơ ) 1. Biogas
CH
4
(50-60% )
CO
2
(30-40%)
N
H

H
2
S
2. Chất hữu cơ N và
xenlulo chứa
lignin = nguồn
cacbon
Hình 5. Lược đồ của quá trình phân hủy kỵ khí
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Trong suốt pha đầu tiên của quá trình phân hủy, một lượng lớn khí CO
2
được sinh
ra và giá trị pH sẽ giảm xuống khoảng 6,2 (pH<6,2 là một yếu tố bất lợi đối với hoạt động
của VSV). Sau thời gian khoảng 10 ngày, pH bắt đầu tăng ổn định, giá trị đạt khoảng 7,0
– 8,0. Nhiệt độ của quá trình thấp dưới 15
0
C sẽ hạn chế khả năng sinh biogas. Nói chung,
nhiệt độ càng cao thì lượng biogas sinh ra càng nhiều, giảm được thời gian lưu phân trong
hầm và làm tăng năng suất.
Bảng 7. Đặc điểm của quá trình chuyển hóa sinh hóa
Các bước Nhiệt độ pH Môi trường Thế oxy hóa khử
Thủy phân Nhiệt độ càng
cao, chuyển hóa
càng nhanh,
<55
0
C
~ 6 Ưa khí -
Pha axit hóa 4- 6
Kỵ khí nghiêm

ngặt
-
Pha acetat hóa VK ưa nhiệt 6,8 – 7,5 Min – 330 mV
Trang 22
Xử lý sơ bộ
nguyên liệu
Quá trình lên men
1. 1. Tạo axit (từ chất
béo, xululo,
protein.
2. 2. Khử axit ( tạo ra
CH
3
COOH, H,
CO
2
)
3. 3. Tạo khí CH
4,
H,
CO
2
Thu nhiệt
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Các bước Nhiệt độ pH Môi trường Thế oxy hóa khử
trung bình
( mesophilic):~
35
0

C; VK ưa
nhiệt
( thermophilic): )
:~ 55
0
C
Metan hóa
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Các phản ứng sinh học diễn ra trong các pha lên men kỵ khí ở trên là một chuỗi
phức tạp, từ hợp chất ban đầu là xelulo, để tạo thành sản phẩm cuối cùng là biogas, sẽ có
các sản phẩm trung gian như axit focmic, axit acetic, axit propionic và axit butrric…phản
ứng tổng quát của quá trình này như sau:
C
n
H
a
O
b
+ ( n - a/4 – b/2) H
2
O (n/2 – a/8 + b/4)CO
2
+ ( n/2 + a/8 – b/4 )CH
4
Bảng 8. Các phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ ứng với các loại cơ chất
khác nhau
Cơ chất Phản ứng
Cacbonhydrat
Vd: glucozơ
C

6
H
12
O
6
+ H
2
O 3CH
4
+ 3

CO
2

50% : 50%
Lipit,
vd: axit palmitic
2C
6
H
32
O
2
+ 14H
2
O 23CH
4
+ 9

CO

2
72 % : 28%
Protein 2C
13
H
25
O
7
N
3
S + 12H
2
O 13CH
4
+ 13

CO
2
+ 6NH
3
+ 2H
2
S
38% : 38% : 18% : 6%
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Giả sử 100% cơ chất đều có khả năng phân hủy sinh học và không tính đến phần
cơ chất chuyển hóa thành tế bào thì phương trình phản ứng trên là cơ sở lý thuyết để xác
định lượng biogas sinh ra cực đại.
Nhiệt lượng tỏa ra của phản ứng tren khoảng 1,5Mj/kg nguyên liệu khô, tương ứng
với cơ chất là C

6
H
12
O
5
, thì lượng nhiệt tỏa ra khoảng 250Kj/mol C
6
H
12
O
5
. Lượng nhiệt
này không đủ để nâng nhiệt độ của cơ chất đầu vào.
Trong thực tế, quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian dài, do đó hiệu suất của
quá trình ít khi đạt trạng thái hoàn toàn, chỉ khoảng 60% cơ chất được chuyển hóa. Sản
Trang 23
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
lượng biogas sinh ra khoảng 0,2 – 0,4 m
3
/kg nguyên liệu đầu vào, với hàm lượng chất rắn
khoảng 5 kg/1 m
3
chất lỏng.
Quá trình phân hủy diễn ra ở ba dãy nhiệt độ khác nhau, tương úng với 3 nhóm
VSV đặc trưng. Hiệu suất sinh khí càng tăng khi nhiệt độ càng tăng vì tốc độ phản ứng ở
nhiệt độ cao diễn ra nhanh hơn so với nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ gia tăng 10
0
C, tốc độ
sinh khí sẽ tăng gấp đôi. Ba khoảng nhiệt độ làm việc, ứng với 3 nhóm VSV khác nhau:

- T = 10 - 20
0
C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh, thời gian lưu trên 100 ngày.
- T = 20 - 35
0
C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, thời gian lưu khoảng
20 ngày.
- T = 50 - 60
0
C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt, thời gian lưu trên 8 ngày.
Nguyên tắc thành công của quá trình vận hành hệ thống biogas là duy trì điều
kiện nhiệt độ và nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào ổn định. Khi đó, mật độ vi khuẩn sẽ
đảm bảo đủ để đáp ứng những điều kiện trên.
Trang 24
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
CHƯƠNG 2.
NGÀNH CHĂN NUÔI VÀ VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG PHÁT SINH
2.1. Đặc điểm ngành chăn nuôi Việt Nam
Việt Nam với khoảng 73% dân số sống ở vùng nông thôn, phát triển kinh tế nông
nghiệp và nông thôn là một trong những mục tiêu được Đảng và Nhà nước hết sức chú
trọng, trong đó có phát triển kinh tế hộ gia đình thông qua các hoạt động phát triển chăn
nuôi. Bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, thì chăn nuôi cũng đang nảy sinh rất nhiều vấn đề
về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe của cộng đồng dân cư địa phương và ảnh
hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái tự nhiên mà nguyên nhân chính là do sự phát triển mạnh
mẽ của ngành chăn nuôi, cộng với trình độ quản lý các loại chất thải chăn nuôi của người
dân thấp.Theo đánh giá của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành
khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất. Chăn nuôi Việt Nam,
giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu
cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu.

Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh. Tổng
số lượng đàn gia súc, gia cầm cũng tăng lên nhanh chóng: tổng số đàn lợn tăng từ 26,6
triệu con năm 2007 lên 27,4 triệu con năm 2010 ; đàn gia cầm tăng từ 226 triệu con năm
2007 lên 300,5 triệu con năm 2010.
Bảng 9. Số lượng một số gia súc, gia cầm tại Việt Nam giai đoạn 2000-2011
Năm
Trâu Bò Ngựa Dê, cừu Lợn Gia cầm
Nghìn con Triệu con
2000 2897.2 4127.9 126.5 543.9 20193.8 196.1
2001 2807.9 3899.7 113.4 571.9 21800.1 218.1
2002 2814.5 4062.9 110.9 621.9 23169.5 233.3
2003 2834.9 4394.4 112.5 780.4 24884.6 254.6
2004 2869.8 4907.7 110.8 1022.8 26143.7 218.2
2005 2922.2 5540.7 110.5 1314.1 27435.0 219.9
2006 2921.1 6510.8 87.3 1525.3 26855.3 214.6
2007 2996.4 6724.7 103.5 1777.7 26560.7 226.0
2008 2897.7 6337.7 121.2 1483.4 26701.6 248.3
2009 2886.6 6103.3 102.2 1375.1 27627.7 280.2
2010 2877.0 5808.3 93.1 1288.4 27373.3 300.5
Sơ bộ 2011 2712.0 5436.6 88.1 1267.8 27056.0 322.6
Nguồn: Tổng cục thống kê, 2011
Trang 25