Khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ biogas tại xã an phú, huyện củ chi, thành phố hồ chí minh và đưa ra giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hầm ủ biogas

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
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 hừu 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.
Ớ 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 đổi với các hộ chăn nuôi trâu, bò, lợn
với quy mô lớn.
Riêng tại Củ Chi - một huyện ngoại thành của Thành phố Hồ Chi Minh, có số đàn
gia súc lớn nhất thành phố, trong đó xã An Phú được đánh giá là xã có đàn gia súc lớn nhất
huyện với 15263 con heo, 2326 con bò. Vì thế việc quản lý chất thải từ gia súc cần một
tông hợp các biện pháp kỹ thuật, giáo dục, chính sách môi trường và chính sách kinh tế.
Các biện pháp kỹ thuật phô biến để xử lý chất thải từ gia súc bao gồm hệ thống biogas; bế
chứa phân: bón phân đã xử lý vào đất; sử dụng cây xanh đế hấp thu chất thải và sử dụng
phân gia súc như một thành phần của thức ăn gia súc. Trong đó, xây dựng hệ thống biogas
là một giải pháp xử lý chất thải từ chăn nuôi tốt nhất và hiệu quả nhất. Tuy nhiên trong quá
trình xây dựng và phát triên hệ thống biogas đã gặp phải không ít khó khăn nên tốc độ mở
rộng quy mô còn chậm.
2
Đe 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 đề tài luận văn Khảo sát tình hình sử dụng
hầm ủ biogas tại xã An Phú, huyện Củ Chi, TP.HCM và đua ra giải pháp nhằm nâng
cao hiệu quả sử dụng hầm ủ bìogas trong sản xuất trong nông nghiệp là rất cần thiết.
1.2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu hiện trạng sử dụng mô hình biogas ở xã An Phú huyện Củ Chi- TpHCM,
những thuận lợi và khó khăn của từng hộ gia đình trong quá trình sử dụng. Từ đó đề xuất
những giải pháp nhằm khắc phục khó khăn và nâng cao hiệu quả sử dụng mô hình biogas
tại địa phương.
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu của Luận văn bao gồm:
- Khảo sát và đánh giá hiện trạng sử dụng hầm ủ biogas xã An Phú huyện Củ Chi-
TpHCM.
- Đe xuất một sổ giải pháp nhằm khắc phục khó khăn và nâng cao hiệu quả sử dụng
mô hình biogas tại địa phương
1.4 Phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Phương pháp điều tra hằng câu hỏi
- Lập câu hỏi trong đó liệt kê đầy đủ các thông tin cần khảo sát về hoạt động chăn
nuôi ( loại gia súc, gia cầm, số lượng ), phương thức quản lý chất thải chăn nuôi
(thải bỏ hoặc dùng làm phân bón hoặc xây dựng hầm biogas), tình hình sử dụng
hầm ủ biogas ( loại hầm, thể tích, quá trình vận hành của hầm ủ)
- Đối tượng khảo sát: Các hộ chăn nuôi gia súc trên địa bàn.
- Số phiếu khảo sát: 65 phiếu. ( chi tiết nội dung phiếu điều tra được đính kèm ở phụ
lục).
1.4.2 Phương pháp phỏng vấn, tham khảo ỷ kiến
- Phỏng vấn trực tiếp một số hộ dân trên địa bàn Xã về hoạt động chăn nuôi và công
tác ứng dụng xây dựng, vận hành hầm ủ biogas trong chăn nuôi.
3
1.4.3 Phương pháp thu thập sổ liệu
- Thu thập và tham khảo số liệu thống kê của các co quan có liên quan:
❖ Chi cục thú y TpHCM
❖ Trung tâm nước sạch và VSMT nông thôn TpHCM.
❖ Trang web ƯBND huyện Củ Chi: www.cuchi.hochiminhcity.gov.vn
1.5 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là xã An Phú huyện Củ Chi, TpHCM.

1.6 Các kết quả đạt đưọc của đề tài
Đánh giá được sơ bộ tình hình sử dụng mô hình biogas tại xã An Phú huyện Củ
Chi-Thành phố Hồ Chí Minh
Đưa ra giải pháp nhằm nâng cao lợi ích biogas trong cộng đồng
1.7 Kết cấu của đồ án
Đe tài “Khảo sát tình hình sử dụng mô hình biogas tại xã An Phú huyện Củ Chi-
TpHCM và đưa ra giải pháp nhằm nâng cao lợi ích biogas” bao gồm những nội dung chính
như sau:
Tổng quan về công nghệ biogas.
- Tống quan về xã An Phú huyện Củ Chi - TpHCM.
Ket quả khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ biogas tại xã An Phú huyện Củ Chi-
TpHCM.
Đe xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng mô hình biogas.
CHƯƠNG 2: TỎNG QUAN VÈ CÔNG NGHỆ BIOGAS
4
2.1 Tống quan công nghệ biogas trong nông nghiệp
2. /. 1 Nguồn nguyên liệu thô trong quá trình săn xuất bìogas
2.1.1.1 Đặc tỉnh chung của nguyên liệu
Biogas ( khí sinh học) là một loại khí được sinh ra khi chất thải động vật và các chất
hữu cơ ( phụ phấm nông nghiệp) bị lên men trong điều kiện kỵ khí. Vi sinh vật phân hủy
các chất tông hợp và khí được sinh ra. Biogas là một hỗn hợp bao gồm metan, cacbon
dioxit, nitơ, hydro suníua
Chất thải của động vật ( phân, nước tiêu) trong chăn nuôi nông nghiệp là nguồn
nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyến hóa sinh học đế tạo
biogas. Khối lượng chất thải phát sinh có sự khác nhau, tùy theo từng loại gia súc, gia
cầm, điều kiện chăn nuôi, đặc điếm chuồng trại và đặc điếm ngành của từng quốc gia.
Theo số liệu thống kê của ngành nông nghiệp Ân Độ, Napal, Việt Nam khối lượng
phát sinh và thành phần tính chất của các loại chất thải được ước tính như sau:
Bảng 2.1: Ưóc lượng chất thải phát sinh từ động vật
Loại động vật

Khối lượng chất thải phát sinh
( kg/ngày/1 con)
Khối lượng chất thải có khả
năng thu gom (kg/ngày/1 con)
(a) Trâu, bò 10 -15 5-8
(b) Lợn 1,3 0,3
(c) Cừu 0,75 0,25
5
Tại Ân Độ, hầu hết chất thải từ trâu bò được sử dụng làm biogas do thành phần này
có tính đồng nhất cao, tỷ lệ C:N của chất thải ở gần mức tối ưu ( 30:1), thuận lợi cho quá
trình phân hủy sinh học. Theo ước tính, mỗi ngày toàn Án Độc có khoảng 2 triệu tấn chất
thải phát sinh chủ yếu từ trâu bò. Neu như chỉ có 1 nửa khối lượng này được sử dụng để
chuyển hóa thành biogas thì lượng khí sinh ra có mức năng lượng tương đương 80 triệu
tấn than đá. Thành phần chất thải của bò ( tính theo phần trăm khối lượng) bao gồn tông
chất thải rắn (TS) là 17,63%; chất rắn bay hơi (VS) 13,65%; thành phần hữu cơ (OC)
44,01%; tổng Nitơ 1,37%, tỷ lệ C:N =
32,1 và pH = 5,0.
(b) Chất thải của lọn
Tỷ lệ C:N trong chất thải của lợn thấp hơn so với trâu bò, tỷ lệ này dao động
trong khoảng 13-15:1. Do tỷ lệ C:N thấp nên đế tăng hiệu quả của quá trình sản
xuất biogas người ta thương bổ sung thêm một số thành phần khác trong nguồn nguyên liệu
đầu vào của hầm ủ. Thành phần hỗn hợp có thế bao gồm:
- 60% phân lợn, 20% phân người và 20% chất thải từ trồng trọt ( lá cây, cỏ cắt
xén ); hoặc
- 60% phân lọn, 20% phân bò và 15% chất thải từ trồng trọt; hoặc
- 63% phân lợn, 25% phân bò và 12% phân gà.
(d) Gia cầm ( gà, vịt) 0,75 0,75
(e) Chất thải con người
0,06 0,06
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher (a) Chất thải của

trâu, bò
6
(c) Chất thải từ gia cầm
Loại chất thải này có tỷ lệ C:N thấp, khoảng 15:1, do đó khi sử dụng cần bổ sung
thêm các thành phần chất thải khác.
Thành phần, tính chất của các loại chất thải có sự khác nhau giữa các loại gia súc.
Yeu tố này sẽ quyết định khả năng phân hủy sinh học và nâng suất sản sinh biogas. Các
số liệu được thống kê và so sánh được trình bày trong các bảng 2.2 và
2.3
Ngoài chất thải động vật và con người, thực vật cũng là nguồn nguyên liệu được sử
dụng đế sản xuất biogas và phân bón sinh học. Ví dụ, một kg chất thải từ các vụ thu hoạch
và bèo tây có thể tạo thành 0,037 và 0,045 m
3
biogas. Các loại nguyên liệu hữu cơ khác
nhau sẽ có tính chất hóa sinh khác nhau và do đó, khả năng tạo ra biogas của chúng cũng
khác nhau. Hai hoặc nhiều loại nguyên liệu có thể được sử dụng kết hợp đê đảm bảo các
yêu cầu cơ bản cho quá trình phân hủy sinh học tạo ra khí.
Bảng 2.2 Tính chất cua chất thải động vật
Loại chất thải TỷlệCrN % H
2
0 kgVS/con/ngày
Lít nước
thải/con/ngày
Chất thải của gia súc
9,3 65 5,9 28,3
Chất thải của bò 16-25 78-80 4,2 37,3
Chất thải của ngựa
25 75
- -
Chất thải của lợn 14

82
2,7 28,3
Chất thải của cừu
20 68
- -
Nguôn: B.T.NUAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternatỉonal Publisher
Bảng 2.3 Lượng chất thải phát sinh và tính chất ( tính trên 454 kg thịt sống)
7
Thành
phần
Đơn
vị
Bò sừa Bò lấy thịt Lợn Gia câm
Bò cái Bê cái
182-
318
kg
>318
kg
Lợn
thịt
Lợn
giống
Gà đẻ
trứng
Gà
giò
Chất thải
thô
Kg/

ngày
37,2 38,6 40,8 27,2 29,5 22,7 24 32,2
Tỷ lệ phân/
nước tiểu
- 2,2 1,2 1,8 2,4 1,2 - - -
Tỷ trọng Kg/m
J
1.005 1.005
1.010 1.010 1.010 1.010
1.005 1.005
Chất rắn
tổng cộng
Kg/
ngày
4,7 402 502 3,1 2,7 1,9 6,1 7,7
%TS 12,7
10,8 12,8 11,6
9,2
8,6
25,2 25,2
Chất rắn bay
hơi
% TS 3,8
- -
2,7
2,2
1,4 4,3 5,4
% TS 82,5
- -
85

80
75 70 70
BOD
5
% TS 16,5
- -
23 33 30 27
-
COD % TS
88,1
-
-
95 95 90 90
-
TKN % TS 3,9 3,4 3,5 49 7,5 5,4
6,8
Hàm lượng
p
%TS 0,7 3,9 -
1,6
2,5
2,1
1,5
8
Hàm
lượng K
% TS
2,6 3,6
4,9 2,3 2,1
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

Đổi với Việt Nam, một quốc gia có nền nông nghiệp là chính yếu, đặc điêm về chất thải
gia súc, gia cầm ở các vùng nông thôn, ngoại thành theo số liệu thống kê của Trung tâm Nước
sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn - Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn TpHCM như
sau:
Khối lượng chất thải của động vật thay đổi rất lớn tùy theo điều kiện chăn nuôi và
chuồng trại. Lượng phân động vật sản xuất một năm ước tính theo bảng 2.4
Bảng 2.4 Khối lượng chất thải từ động vật
Thành phần chất thải bao gồm phần rắn (phân), phần lỏng ( nước tiểu của động vật, nước
dội rửa chuồng) và vật liệu lót chuồng, rác, rau, cỏ đặc tính và tỷ lệ tương ứng các thành phần
này theo đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào loại động vật,
Động vật
Tấn/năm (tính
trên 454 kg thịt
Hàm lượng Nitơ ( kg/năm/454 kg thịt sống)
Trong nước tiểu
Trong phân Tổng
Ngựa
20
5,4
8,8
14,2
Bò 30 4,8 4,9 9,7
Lợn 33,7 4,0 3,6 7,6
Cừu 13,9 9,9 10,7
20,6
Gà, vịt 9,5 ” 20
K
20
Nguôn: Trung tâm nước sạch và VSMTNT, tài liệu hưởng dẫn kỳ thuật xây dựng, vận hành,
bảo dưỡng hầm bỉogas Thái-Đức, 2008

9
thức ăn, hình thức chuồng trại Rơm và cây cỏ thường được sử dụng để lót chuồng chứa
một lượng lớn cacbon, đặc biệt là dạng xenlulo, một lượng nhở nitơ và khoáng chất. Thành
phần protein trong phân cung cấp môi trường đủ chất dinh dường đê các vi sinh vật phát
triến.
Kết quả trên chỉ ra rằng, phân chuồng ở dạng tươi chứa khoảng 70-80% lượng nước,
0,3-1,9% nitơ, 0,1-0,6% photpho và 0,3-1,2% Kali. Vì thế cứ một tấn phân tươi, trung bình
sẽ có khoảng 180-270 kg chất thô; 3,5-5 kg N, 2-3 kg p
2
0
5
và 4-5 kg K
2
0.
2.1.1.2 Khả năng sản sinh bỉogas
Hầu hết các thành phần hữu cơ bao gồm protein, lipit, cacbohydrat, xenlulo ( trừ dầu
khoáng, lignin) đều có khả năng chuyển hóa sinh học thành biogas ( CH
4
, C0
2
). Ba thành
phần chất hữu cơ nói trên, về lý thuyết, khi chuyên hóa thành biogas sẽ có sự khác nhau về
thành phần của CH
4
, C0
2
, cụ thể được trình bày trong bảng 2.6.
Bảng 2.5 Thành phần hóa học cùa một số loại phân từ động vật
Động vật
Lượng nước

%
Thành phần phân rắn
Ni tơ % P2O5 % K
2
O %
Trâu, bò
80
1,67
1,11
0,056
Ngựa 75 2,29 1,25 1,38
Lợn
82
3,75 3,13
2,2
Gà 56 6,27 5,92 3,27
Chim bồ câu 52 5,68 5,74 3,23
Nguồn: Trung tâm nước sạch và VSMTNT, tài liệu hưởng dân kỳ thuật xây dựng, vận hành,
bảo dường hâm biogas Thái-Đức, 2008.
Bảng 2.6 Thành phần CH
4
, C0
2
trong biogas sinh ra từ các hop chất hữa cơ
10
Tại Nepal, phân bò được sử dụng phổ biến làm nguyên liệu đầu vào cho các hầm ủ
biogas do khối lượng phân tưong đối nhiều. Khả năng sinh khí đối với một số loại chất thải
khác nhau được thống kê theo bảng 2.8
Nguyên liệu
Lít khí/kg nguyên liệu

thô
CH
4
% C0
2
%
Protein 700 70 30
Chất béo
1.200
87 33
Hydratcabon
800
50 50
Nguồn: B.T.NUAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Bảng 2.7 Định mức năng suất tạo biogas từ chất thải chăn nuôi
Loại chất thải
Kh vs sinh
ra/con/ngày
% vs phân
hủy
cc
biogas/mg vs
phân hủy
m
3
biogas/con/
ngày
Chất thải của bò 4,0 kg 30% 800 cc/mg 1 m
3
Chất thải của lợn 2,7 kg 50% 1.100 cc/mg 1,6 m

3
Chất thải của gia cầm 5,9 kg 60% 600 cc/mg 2,2 m
3
Nguồn: B.T.NUAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Bảng 2.8 Khá năng sinh khí của một số loại chất thái
Loại chất thải Khả năng sinh khí nrVkg phân
Chất thải của bò 0,023 -0,04
11
2.1.2 Nguyên lý của quá trình chuyến hóa.
về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giừ trong hầm kín vài ngày sẽ chuyến
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
Chất thải của heo 0,04-0,059
Chất thải của gia cầm 0,065-0,116
Chất thải của người 0,02 - 0,028
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher Tại Việt Nam,
sản lượng khí sinh ra hàng ngày được ước tính như sau:
Bảng 2.9 Sản lượng khí hàng ngày
Loại chất thải Sản lượng khí hàng ngày ( lít/kg/ngày)
Chất thải của bò 15-32
Chất thải của trâu 15-32
Chất thải của heo 40-60
Chất thải của gia cầm 50-60
Chất thải của người 60-70
Bèo tây tươi 0,3-0,5
Rơm rạ khô 1,5-2,0
Nguồn: Trung tâm nước sạch và VSMTNT, tài liệu hướng dẫn kỳ thuật xây dựng, vận hành,
bảo dưỡng hâm biogas Thái-Đức, 2008.
12

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 bê chứa và đường ống dẫn chất thải ( bùn sau khi lên men) đê 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 khuấn chuyến 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 ấm, 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 khuấn kỵ khí chiếm ưu thế, chuyến hóa các hợp chất dạnh
hydrocacbon. Các thành phần dinh dường như hợp chất chứa nito dạng hòa tan sẽ vẫn tồn tại
trong dung dịch sau phân hủy và là nguồn phân bón giàu dinh dường 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 CƠ2 được tạo thành.
Tạo axit (thủy phân)
(1) Khử axit
(2) Sinh khí CH
4
Pha 1
Pha II

Phai
13
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 khuấn kỵ
khí, chủ yết
tại bước 3.
Ba bước chính của quá trình như sau:
Pha II
Giai đoạn tạo axit Giai đoạn khử axit Giai đoạn hình thành khí CH
4
(Thủy phân)
Vi khuân lên men Vi khuân acetogenic Vi khuân metan hóa Hình 2.1 Các
bước của quá trình tạo khí metan
Nguồn: B.T.NUAGUNA, Biogas Technology, New Age Itemational Publisher
2.1.2.1 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 phấm của quá trình bao gồm:
Chất béo axit béo
Protein Axit acetic
Biogas CH
4
và C0
2
Cacbonhydrat
1
Axit HC y0u
2
Axit acetic
3
Ch0t béo R00U

14
Protein amino axit
Hydratcacbon đường
15
Sản phẩm của giai đoạn này sẽ được các vi khuẩn lên men chuyển hóa, hình thành các
sản phẩm như:
- H, H
2
0, CƠ2, NH
4
, H
2
S
Axit acetic CH3COOH Rượu
và các axit hữu cơ yếu.
2.1.2.2 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
0, C0
2
.
Axit acetic CH3COOH.
2.1.2.3 Giai đoạn tạo CH4
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 CH4 và C0
2
nhờ hoạt động của vi khuấn 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.
Nguyên liệu thô Quá trình chuyến hóa Sản phẩm cuối cùng
16

Hình 2.2 Lược đồ của quá trình phân hủy ky khí
Nguồn: B.T.NUAGƯNA, Biogas Technology, New Age Iíernatỉonal Publisher
Trong suốt pha đầu tiên của quá trình phân hủy, một lượng lớn khí C0
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°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.
Sinh khối ( chất thải hữu cơ )
Xử lý sơ bộ
nguyên liệu
1. Biogas CH
4

( 50-
60% ) C0
2
(30-
40%)
Quá trình lên men
1. Tạo axit (từ chất
béo, xululo,
protein.
2. Khử axit (tạo ra
CHjCOOH, H,
CO2)
3. Tạo khí CH
4
.H,
CO
2
N
H
H
2
S
2. Chất hữu cơ N và
xenlulo chứa lignin
= nguồn cacbon
Thu nhiệt
Bảng 2.10 Đặc điếm của quá trình chuyến hóa sinh hóa
17
Các phản ứng sinh học diễn ra trong các pha lên men kỵ khí ở trên là một chuồi 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
Ơ (n/2 - a/8 + b/4)C0
2
+ ( n/2 + a/8 - b/4 )CH
4
Bảng 2.11 Các phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kv ứng với các loại
cơ chất khác nhau
Các bước Nhiệt độ pH Môi trường
Thế oxy hóa khử
Thủy phân
Nhiệt độ càng
cao, chuyển hóa
~ 6 Ưa khí -
Pha axit hóa 4-6
Kỵ khí nghiêm
ngặt
-
Pha acetat hóa
VK ưa nhiệt trung
bình
6,8-7,5

Metan hóa
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternationaỉ Publisher
Cơ chất Phản ứng
Cacbonhydrat C
6
H
12
O
6
+ H
2
O 3CH
4
+ 3 C0
2
Vd: glucozo 50% : 50%
18
Giả sử 100% cơ chất đều có khả năng phân hủy sinh học và không tính đến phần cơ
chất chuyến hóa thành tế bào thì phương trình phản ứng trên là cơ sở lý thuyết đế xác định
lượng biogas sinh ra cực đại.
Nhiệt lượng tỏa ra của phản ứng tren khoảng l,5Mj/kg nguyên liệu khô, tương ứng với
cơ chất là C
6
H|
2
0
5
, thì lượng nhiệt tỏa ra khoảng 250Kj/mol C
6
H|

2
0
5
. Lượng nhiệt này không
đủ đê 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 chuyến hóa. Sản 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°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°c, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh, thời gian lưu trên 100 ngày.
T = 20 - 35°c, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, thời gian lưu
khoảng 20 ngày.
T = 50 - 60°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
Lipit, vd: axit
palmitic
2C
6
H
32
0
2

+ 14H
2
0 23CH
4
+ 9C0
2
72 % : 28%
Protein 2C13H25O7N3S+ 12H
2
0 13CH
4
+ 13 C0
2
+ 6NH3 + 2H
2
S
38% : 38% : 18% : 6%
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
19
nhiệt độ và nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào ôn định. Khi đó, mật độ vi khuấn sẽ đảm
bảo đủ để đáp ứng những điều kiện trên.
2.1.3 Thành phần, tính chất biogas
Biogas là một hỗn hợp khí nhẹ hơn không khí, nhiệt độ bốc lửa khoảng
700°c ( đối với dầu DO, khoảng 350°C; đối với xăng gas và propane khoảng 50°C).
Nhiệt độ ngọn lửa sử dụng biogas khoảng 870°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
nrkhông 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 lun lượng biogas sinh ra thì ngược lại. Hàm lượng CH
4
sinh ra đối
với từng loại chất thải điên 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') 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.
20

2.1.4 Các yếu tố hóa lý ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học
Quá trình chuyến hóa các thành phần hữu cơ tạo biogas đuợc thực hiện bởi các
nhóm vsv. Các vsv này sử dụng một số enzym đế 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 chuyến 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 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 ấm, 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:
Bảng 2.12 Trình bày thành phần và một số tính chất CO’ bản của bỉogas
Thông số Đơn vị
nX
co
2
H, H
2
S
Hỗn Họp
Khí Biogas
(60% CH
4
;
40% C0
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
Điếm bốc cháy
°c
650-750 - 585 - 650-750
Tỷ trọng (thông
thường)
g/1 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 Iíernational Publisher
21
2.1.4.1 Nhiệt độ
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 C0
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°c. Tuy nhiên, điều
này hầu như không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuấn tham gia vào quá trình chuyên hóa
biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ba khoảng nhiệt độ mà vi khuấn
hoạt động hiệu quả nhất là:
T < 15°C: Khoảng hoạt động của vi khuấn ưa lạnh;
T = 15 - 45°c : Khoảng hoạt động của vi khuấn ưa nhiệt độ trung bình;
T = 45 - 65°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°C) và vi khuẩn ưa nhiệt (khoảng 55°C) là quan trọng vì
quá trình phân hủy yếm khí sẽ dừng lại khi nhiệt độ thấp hơn
10°c.
Vân đê ảnh hưởng thứ 2 của nhiệt độ là độ hòa tan của COỊ và kim loại nặng. Độ
tan của CƠ2 giảm khi nhiệt độ tăng, và ngược lại, ở nhiệt độ thấp hàm lượng C0
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 thê là yếu tổ gây độc.
Một điếm 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 sổ liệu thực nghiệm khoảng 0,15 m
3
khí/ m
3
phân ở nhiệt độ 15 -17°C; 0,2 -0,3 m
3

/ m
3
ở 22 - 28 °c và
1.5 m
3
/ m
3
ở 35 - 38 °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 °c ( tức khoảng 9 m
3
biogas/
m
3
phân.ngày).
22
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 đôi riêng biệt. Nguồn nguyên liệu có nhiệt độ
thấp, hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt không tốt, hoặc quá trình vận hành đế xảy ra sự phân
tầng nhiệt độ có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuấn và do đó, sẽ giảm năng
suất sinh biogas. So với vi khuấn ưa nhiệt độ trung bình, vi khuân ưa nhiệt nhạy cảm với
nhiệt độ hơn.
2.1.4.2 Thời gian lưu
Thời gian lưu ( là khoảng thời gian lý thuyết mà một phần tủ
-

hoặc một đơn vị chất
lỏng đi vào và lưu tại hầm phân hủy). 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.
Th0 tích h0m phân h0y (m
3
)
T(ngày) =
KhEi I00ng nguyên N0U đEu vào (m
3
/ ngày)
Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát triên chậm
nhât có thê tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhât là khoảng thời gian mà chât rắn trong hầm đảm
bảo được tính ôn 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 khuân 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°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. Neu 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
23
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. ơ giai
đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một khoảng thời gian lưu, nó tiến
tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất. Đối với vi khuân ưa nhiệt trung bình, thời gian phân hủy tối ưu
khoảng 20-30 ngày. Đối với vi khuấn 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.
2.1.43 pH
Hầm phân hủy hoạt động tốt ở pH > 7,0 ( trong môi trường độ kiềm yếu). Sự xuất
hiện một so ion sau có thể làm ảnh hưởng đến pH của ham: HCO3', H2CO3', NH
4
+
,
CH3COO", Ca
2+
gốc HCO3' góp phần làm tăng độ kiềm bicacbonat thông qua phản ứng
thuận nghịch sau:
HC0
3
- + CH3COOH <=> H
2
O + C0
2
+ CH3COO-
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 khuân metan hóa có thê sử dụng, pH sẽ giảm
xuống dưới mức tối ưu. Đe 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 CaC0
3

/l đế đảm bảo pH thích hợp. Neu vận hành đúng
theo nguyên tắc, tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tông công phải duy trì ở mức 0,5.
Sự thay đôi 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
24
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 đôi độ ôn định của các nhóm enzym có khả năng ion hóa.
- Làm thay đối 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 khuan metan hóa
khoảng 6,8-8,5; vi khuấn axit hóa có thế 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 khuấn, ngược lại với amonia tự do.
Nồng độ NH
3
ở mức 1 OOppm sẽ rất độc và có thê là nguyên nhân gây hỏng hầm ủ.
2.1.4.4 TỷỉệC/N
Đe tạo điều kiện sinh trưởng và hoạt động tối ưu của vi khuẩn, điều cần thiết là phải
cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng dưới dạng các hợp chất hóa học với nồng độ thích hợp.
Cacbon và nitơ ( có trong protein, nitrat ) là những thành phần dinh dưỡng chính của vi
khuẩn kỵ khí. Nguồn c sẽ cung cấp năng lượng cho hoạt động vi khuấn, N cần thiết cho quá
trình tong hợp tế bào. Đe hàm lượng N được cung cấp hợp lý, nguồn cơ chất đầu vào sẽ được

xem xét đến khái niệm tỷ lệ C/N. Khái niệm này được quan tâm từ rất sớm, với nguồn cơ
chất là phân bò, tỷ lệ C:N khoảng 15:1 -25:1. Sau đó khái niệm này được mở rộng đối với
nhiều loại nguồn cơ chất khác nhau. Tuy nhiên với nhiều nghiên cứu về sau, tỷ lệ này gần
bằng với chỉ số biếu thị khả năng phân hủy sinh học của cơ chất. Tỷ lệ c có khả năng phân
hủy sinh học và lượng N có sẵn trong cơ chất khoảng 25:1 là điều kiện lý tưởng của quá trình
phân hủy tạo biogas. Lý do: vi khuẩn kỵ khí không thể sử dụng hết tất cả nguồn c trong cơ
chất đầu vào và một cách tương tự, không phải tất cả dạng tồn tại N trong cơ chất đi vào hầm
phân hủy đều có giá trị với vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn metan hóa. Vi khuẩn lên men sử
dụng nguồn c nhanh gấp 25-30 lần so với N, do đó tỷ lệ C:N tối ưu đòi hỏi phải từ 25-30:1.
25
Khi tỷ lệ này bị thay đôi, hiệu quả của quá trình phân hủy sẽ bị giảm.
Nếu tỷ lệ C/N quá cao, lượng N sẽ bị vi khuẩn metan hóa tiêu thụ nhanh để tổng họp
protein của chúng và sẽ không còn đủ để phản ứng với lượng c còn lại trong nguyên liệu, do
đó lượng khí biogas sinh ra sẽ thấp. Mặt khác nếu tỷ lệ C/N quá thấp, thành phần N sẽ giải
phóng và tích lũy dưới dạng amoni (NH
4
). NH
4
sẽ làm tăng pH trong hầm phân hủy. pH cao
hơn 8,5 sẽ là một yếu tố gây cản trở hoạt động của vi khuan metan hóa.
Tỷ lệ C:N của một số loại cơ chất khác nhau được trình bày trong bảng 2.13