Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí

BẢNG VIẾT TẮT

Kí hiệu Giải thích
AD W8 Anaerobic Digester W8
COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)
BOD Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học)
VS Tổng chất rắn dễ bay hơi
VSV Vi sinh vật
VK Vi khuẩn
CTHC Chất thải hữu cơ
CTR Chất thải rắn









DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng Tên bảng Trang
1.1
VSV sinh axit hữu cơ 8
1.2
VSV sinh metan 9
1.3 Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV 11
1.4
Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA,
1979)
15

1.5
Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu
khí
18
1.6
So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu
khí
20
2.1
Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm
khí glucozơ.
27
2.2
Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm
khí tinh bột.
30
2.3
Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm
khí protein
31
3.1
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 36 gam glucozơ.
32
3.2
Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 36 gam glucozơ.
33
3.3
Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm

khí 36 gam glucozơ.
34
3.4
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 30 gam tinh bột.
36
3.5
Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 30 gam tinh bột.
36
3.6
Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm
khí 30 gam tinh bột.
37
3.7
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
39
3.8
Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
40
3.9
Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm
khí 40 gam protein (gielatin).
41
3.10
Thể tích metan và cacbonic sinh ra từ 1 kg vật liệu
trong điều kiện yếm khí.
43

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình
vẽ
Tên hình vẽ Trang
1.1
Xử lý nước thải tinh bột sắn theo mô hình yếm khí tại
Tây Ninh
3
1.2
Xây dựng hầm biogas ở nông thôn 4
1.3
Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân
hủy yếm khí
6
1.4
Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí CH
4
và ảnh
hưởng của nhiệt độ
12
1.5
Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và
giá trị pH
13
1.6
Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí

19
2.1

Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nước thải yếm khí AD W8 23
2.2
Cách bố trí lại thiết bị AD W8 24
2.3
Máy AD-W8 đang hoạt động theo cách bố trí mới 25
3.1
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của
glucozơ
33
3.2
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của glucozơ 34
3.3
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của tinh bột 37
3.4
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của tinh bột 38
3.5
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của protein

40
3.6
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của protein 41

MỤC LỤC Trang
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………
1
Chương 1 - TỔNG QUAN…………………………………………………
2
1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)………………………
2
1.2. VSV và VSV yếm khí. ………………………………………………

5
1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học……………………….
5
1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải
hữu cơ……………………………………………………………………….

20
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……………………………………………
22
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu………………………………………
22
2.2. Thiết bị và hoá chất nghiên cứu……………………………………….
22
2.3. Quy trình thực nghiệm…………………………………………………
27
CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN……………………………….
32
KẾT LUẬN ……………………………………………………………….
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………
45







1

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






2

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN
1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam
Thị trường tiềm năng cho sản xuất biogas tại Việt Nam là rất lớn, nhưng cho đến
nay chưa được khai thác triệt để. Chỉ có 0,3% trong số17.000 các trang trại lớn đã sử

dụng khí sinh học. Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ
sinh môi trường đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ
thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải.
Tương tự như vậy, một lượng lớn rác thải đô thị và rác thải chế biến nông sản,
chẳng hạn như đường và sắn, cũng chưa được sử dụng đúng mức và cả hai loại chất
thải này đều gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường và lãng phí tài nguyên.
Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí đã trở thành một hệ thống được áp dụng rộng
rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh đã được lắp đặt tại vùng nhiệt đới, á nhiệt đới và ở
vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v.v…). Ở Việt Nam
nhiều nơi đã sử dụng nhiều mô hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với các quy mô
lớn nhỏ khác nhau.
Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, công ty Cổ phần khoai mì nước trong phối
hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đã đưa vào sử
dụng nhà máy xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia
Nước Trong tại xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh.
3


Hình 1.1. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh
Nhà máy sử dụng công nghệ phân hủy yếm khí hiện đại, đang được áp dụng tại nhiều
quốc gia trên thế giới. Nhà máy xây dựng với vốn đầu tư 1 triệu USD, chuyên sản xuất
khí Biogas với công suất 2 triệu m
3
/năm và khắc phục trên 90% vấn đề ô nhiễm. Mặt
khác nó sẽ tạo ra một giá trị kinh tế lớn là cung cấp khí biogas làm nhiên liệu đốt cho
các lò đốt để sấy bột.
- Nhà máy xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình: Nước thải từ quá trình sản
xuất bia ong được xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ
thống giống với mô hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại
Lâm. Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m

3
/ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt.
4

Quy mô hộ gia đình

Hình 1.2. Xây dựng hầm biogas ở nông thôn
Thường tại các hộ gia đình chăn nuôi lợn, trâu bò lượng chất thải từ quá trình chăn
nuôi thường nhiều và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên được xử lý bằng hầm phân
hủy yếm khí (biogas). Trong những năm qua việc xây dựng hầm khí biogas đã phát
huy được hiệu quả và đang được coi là biện pháp tiết kiệm của người dân. Được sự
quan tâm và đầu tư của nhà nước cũng như các dự án đầu tư của nước ngoài rất nhiều
vùng nông thôn đã xây dựng mô hình khí sinh học biogas.
Tiềm năng sử dụng biogas trong tương lại có thể là dùng để phát điện, bã thải
sinh học cho các loại phân bón hữu cơ và nhiên liệu sinh học.


5

1.2. VSV và VSV yếm khí.
VSV là một thế giới sinh vật nhỏ bé, đơn bào rất đông đúc trong tự nhiên. Tế bào
của chúng chỉ nhìn được qua kính hiển vi phóng đại từ 400 đến 1000 lần. VSV bao
gồm có VK, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut (siêu VK). Trong nước thải, chủ yếu
là các loại VSV dị dưỡng hoại sinh, chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ, biến
đổi các chất này thành các chất đơn giản như CO
2
, H
2
O, CH
4

, H
2
S…
VSV yếm khí là những VSV sống trong điều kiện không có oxy, chúng rất đa
dạng và phong phú về chủng loại.
1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học.
Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều
kiện không có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí.
1.3.1. Nguyên liệu
Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình
phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có
nguồn gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật.
- Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc , các bộ phận cơ thể của
động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ, hải sản
- Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân cây thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm,
rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…), rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi ) và
các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh ). Các loại nước thải như:
nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm
1.3.2. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều
phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng
bằng phương trình sau đây:
6


Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau:
+ Giai đoạn 1: Thủy phân.
+ Giai đoạn 2: Lên men axit.
+ Giai đoạn 3: Metan hóa.

Hình 1.3. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí
1.3.2.1. Giai đoạn thủy phân.
Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như
protein, chất béo, carbohidrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Một vài loại ở dạng không hòa
tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào
(sản sinh bởi các VK). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng
nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo.
Chất hữu cơ
Tổng axit
Cacbonhydrate
Chất béo
Aminoaxit
Đường đơn
Protein
Amôn
Tổng axit
bay hơi
Vi khuẩn
CO
2

Axetat
CH
4

H
2

CO
2

Thủy phân Lên men axit Sinh metan
Chất hữu cơ
Lên men
yếm khí
CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+H
2
S
7

Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz,
pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất không hòa tan) thành các
đường đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ như
xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn
của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các VK ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm
hơn các VK ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật
độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi trường như: pH và nhiệt độ…
Các phản ứng ở giai đoạn thủy phân:

1.3.2.2. Giai đoạn lên men axít.
Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít axetic,
H

2
và CO
2
bởi VK lên men axit. Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men
cacbohiđrat. Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại VK cũng như điều kiện nuôi
cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử oxi. VK tạo axit axetic chuyển các axít
no như axít propionic và butyric và rượu thành axit axetic, hiđrovà CO
2
, những chất
này sẽ được sử dụng bởi nhóm VK tạo metan.
Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, anđehit,
axeton, các chất khí NH
3
, H
2
S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong
giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các
chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành
Tinh bột
 
amylaza
Glucozơ
Xenlulozơ
 
zenlulaza
Mantozơ + Glucozơ
Lipit
 
lipaza
Tổng axit + Rượu đa chức

Protein
 
proteaza
Peptit
 
proteaza
Axit amin
8

CO
2
và NH
3
, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Ví dụ như đối với glucozơ
quá trình lên men axit xảy ra theo phương trình sau:
2C
6
H
12
O
6


2CH
3
CHOHCOOH + 2CH
3
COOH + 2CO
2
+ 2H

2
O + Q.
Các VSV chính tham gia vào quá trình lên men axit được thống kê trong bảng sau:
Bảng 1.1. VSV sinh axit hữu cơ.
Tên VK pH t
o
C Sản phẩm
Bacillus cereus 5.2 25-35 axetic, lactic
Bacillus knolfekampi 5.2-8.0 25-35 axetic, lactic
Bacillus megaterium 5.2-7.5 28-35 axetic, lactic
Bacteroides succinigenes 5.2-7.5 25-35 axetic, sucxinic
Clostridium carnefectium 5.0-8.5 25-37 fomic, axetic
Clostridium cellobinharus 5.0-8.5 36-38 lactic, etanol, CO
2
Clostridium dissolvens 5.0-8.5 35-51 fomic, axetic
Clostridium thermocellulaseum 5.0-8.5 55-65 lactic, sucxinic, etanol
Pseudomonas - 3-42 fomic, axetic, lactic, sucxinic,
etanol
Ruminococcus sp - 33-48 fomic, axetic, sucxinic


9

1.3.2.3. Giai đoạn sinh khí metan.
Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH
4
và các sản phẩm
khác bởi nhóm VK metan. VK metan là những VK yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh
trưởng chậm hơn các VK ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các VK metan sử dụng axít
axetic, methanol, CO

2
và H
2
để sản xuất metan, trong đó axít axetic là nguyên liệu
chính với 70% metan được sinh ra từ nó. Phần metan còn lại được sản xuất từ CO
2
và
H
2
, một ít từ axít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm
số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí, pH của giai đoạn này lớn hơn 7.
Các VK tham gia quá trình sinh khí metan gồm những loại chính được thống kê
trong bảng sau.
Bảng 1.2 VSV sinh metan
Tên VK pH t
o
C Axit bị chuyển hóa
Methanobacterium omelianskii 6.5-8.0 37-40 CO
2
, H
2
, ancol I và II
Methanopropionicum axit propionic
Methanoformicum CO
2
, H
2
, axit fomic
Methanosochngenii axit axetic
Methanosuboxydans axit butyric,valeric, caprionic

Methanoruminanticum H
2
, axit fomic
Methanococcus vanirielli 1.4-9.0 H
2
, axit fomic
Methanococcus mazei 30-37 axit axetic, butyric
Methanosarcina methanica 35-37 axit axetic, butyric
Methanosarcina barkerli 7.0 30 CO
2
, H
2
, axit axetic, metanol
- Các phản ứng sinh metan gồm có
CH
3
COOH → CH
4
+ CO
2
(1)
Phản ứng (1) do các VSV: Methanosochngenii, Methanococcus mazei,
Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện.
4CH
3
CH
2
COOH + 2H
2
O → 7CH

4
+ 5CO
2
(2)
2CH
3
(CH
2
)
2
COOH + 2 H
2
O → 5CH
4
+ 3 CO
2
(3)
10

Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei,
Methanosarcina methanica thực hiện.
2CH
3
(CH
2
)
2
COOH + 2 H
2
O → 2CH

4
+ 3CH
3
COOH (4)
Phản ứng (4) do VSV: Methanosuboxydans thực hiện
2CH
3
CH
2
OH → 3CH
4
+ CO
2
(5)
2CH
3
CH
2
OH + CO
2
→ CH
4
+ 2CH
3
COOH (6)
Phản ứng (5) và (6) do VSV: Methanobacterium omelianskii thực hiện
CO
2
+ 4H
2

→ CH
4
+ 2H
2
O (7)
Phản ứng (7) do Methanobacterium omelianskii, Methanococcus vanirielli,
Methanoruminanticum, Methanoformicum.
1.3.3. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas
Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của VK trong môi trường yếm khí.
Thành phần chủ yếu của Biogas:
Khí metan (CH
4
) 55 – 65%
Khí Cacbonic (CO
2
) 35 – 45%
Khí Nitơ (N
2
) 0 – 3%
Khí Hydro (H
2
) 0 – 1%
Khí Hiđrosulphua (H
2
S) 0 – 1%
Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH
4
chiếm một số lượng lớn và là khí được
sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt. Lượng CH

4
chịu ảnh hưởng bởi quá
trình sinh học và nguyên liệu mà ta sử dụng.
11

Khí CH
4
là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí. CH
4
ở 20
0
C,
1atm thì 1m
3
khí CH
4
có trọng lượng 0,716 kg.
Khi đốt hoàn toàn 1m
3
khí CH
4

cho ra khoảng 9000 kcal.
Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94kg/m
3
, trọng
lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH
4
so với các khí khác trong hỗn hợp.
Khí H

2
S chiếm một lượng ít nhưng có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng
của hệ thống để sửa chữa.
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng
1.3.4.1. Môi trường
Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều VK, trong đó các
VK sinh metan là những VK quan trọng nhất, chúng là những VK kỵ khí bắt buộc. Sự
có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện
yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men.
1.3.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số vận hành quan trọng của quá trình xử lý
yếm khí, đặc biệt đối với nước thải có mức độ ô nhiễm không cao. Trong tự nhiên
metan được sản sinh ra bởi các VK trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Nhiệt độ và sự
biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí.
Thông thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến quá trình sinh khí biogas.
Bảng 1.3.Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV
Nhóm VSV Nhiệt độ,
o
C
Khoảng Tối ưu
Ưa lạnh (Psychrophilic) -10-30 15
Ưa ấm (Mesophilic) 20-50 35
Ưa nhiệt (Thermophilic) 45-75 55
Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả
12

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

loại ưa ấm (mesophilic) chúng phát triển mạnh nhất trong khoảng 35- 42 ºC.

Hình 1.4. Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí metan và ảnh hưởng của nhiệt độ
Do tác động mạnh của yếu tố nhiệt độ, quá trình xử lý vi sinh yếm khí có hiệu
quả ở các vùng có khí hậu nóng, ít thích hợp với vùng lạnh.
Nói chung, trong các hầm ủ yếm khí khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng
nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45
o
C thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này
không thích hợp cho cả 2 loại VK, nhiệt độ trên 60
o
C thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột
và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65
o
C. Ở các nước ôn đới, nhiệt
độ môi trường thấp do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10
o
C thể tích khí
được sản xuất giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí có thể dùng khí sinh học để đun
nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt.
13

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

của hỗn hợp axit.

Hình 1.5. Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và giá trị pH
Do sự nhạy cảm của VK metan hóa và sự dich chuyển cân bằng của quá trình
oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động không ổn định trong vùng pH thấp. Ví dụ ở nồng độ axit
cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lượng hữu cơ cao. Nếu tốc độ hình thành axit
cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H
2
) thì lượng axit tích lũy sẽ làm
14

giảm pH. Giảm pH tiếp tục ảnh hưởng tiêu cực lên VK metan hóa và tiếp tục làm giảm
pH của môi trường phản ứng. pH thấp không những có tác động tiêu cực đến hoạt
động của VSV, mà trong điều kiện đó, một loạt các chất hóa học có tính khử (chất cho
điện tử) tồn tại ở trạng thái dễ bay hơi: axit hữu cơ, hiđrosunfua ở dạng trung hòa gây
mùi, tại pH cao chúng tồn tại ở dạng phân ly. Nếu không được điều chỉnh kịp thời thì
diễn biến trên tiếp tục, dẫn đến mất hoàn toàn hoạt tính của VK metan hóa. Đó là tình
trạng hệ xử lý “bị chua” hay bị “mắc kẹt”. Để khắc phục tình trạng trên nhằm tái tạo
lại môi trường cân bằng cho hoạt động của VK axit và metan hóa ta có thể sử dụng
một số giải pháp như: giảm tải lượng hữu cơ, tăng dần tải lượng sau đó khi hệ đã được
phục hồi trở lại hoặc điều chỉnh pH ngay từ dòng vào.
1.3.4.4. Đặc tính của nguyên liệu
Hàm lượng chất khô: Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm.
Quá trình phân huỷ sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có hàm lượng chất
khô tối ưu vào khoảng 7-9%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao
hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị phân hủy yếm khí cần phải pha thêm nước.
Tỷ lệ Cacbon và Nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong
thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. VK yếm
khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25 – 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên
liệu bằng

25 - 30
1
là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho
vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá
trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với VK ở nồng độ
cao, ngoài ra cần có những nguyên tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động
của các VSV.
Nguồn cacbon của VSV yếm khí chính là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như các
axit fomic, butiric, propionic, axetic, metanol, khí CO
2
, CO….còn nguồn nitơ tốt nhất
đối với VK là amoni cacbonat và amoni clorua. Đặc biệt là VK metan không sử dụng
nitơ trong các axit amin.

15

1.3.4.5. Thời gian lưu
Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng.
Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm. Tuy nhiên tốc độ
sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm. Quá trình phân
huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. Vì thế người ta phải lựa chọn
thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản
lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu.
1.3.4.6. Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu
Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến
quá trình sinh khí metan. Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc
đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do
sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính
của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.
Bảng 1.4. Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA, 1979)

Nhân tố Nồng độ gây ức chế mg/l
Axit hữu cơ > 2000
(a)

1500 -3000 (ở pH > 7,6)
Nitơ amôn > 200
Sulfide (hòa tan) > 3000 gây độc
Ca 2500 - 4500
8000 ức chế mạnh
16

Mg 1000 - 1500
3000 ức chế mạnh
K 2500 - 4500
12000 ức chế mạnh
Na 3500- 5500
8000 ức chế mạnh
Đồng 0,5
Cadimi 150
Sắt 1710
Cr
6+
3
Cr
3+
500
Nikel
(b)
2
(a)

Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK có thể
chịu được nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/l.
(b)
Nikel ở nồng độ thấp làm tăng quá trình sinh khí metan.
1.3.4.7. Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho VK tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình
sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự
tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. Nhưng đối với các nguyên liệu ủ chỉ chứa chất dễ phân
hủy như phân heo thì không cần khuấy trộn.
17

1.3.4.8. Sự cạnh tranh giữa VK lưu huỳnh và VK metan
VK lưu huỳnh và VK metan có thể cạnh tranh các chất cho điện tử như axetat và
H
2
. Các nghiên cứu về động thái học của 2 nhóm VK này cho thấy VK khử lưu huỳnh
có ái lực với axetat cao hơn VK metan (Km = 9,6 mg/l so với Ks = 32,8 mg/l), điều
này có ý nghĩa là VK lưu huỳnh sẽ thắng thế so với VK metan ở nồng độ axetat thấp.
VK lưu huỳnh và VK metan cạnh tranh mạnh ở tỷ lệ COD/SO
4
2-
từ 1,7 – 2,7. Khi tỉ lệ
này tăng VK metan sẽ thắng thế và ngược lại.
1.3.4.8. Tính chất của chất nền và các chất gây độc
Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân
hủy, hàm lượng chất rắn hòa tan quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không
đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lượng tổng chất
rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền.
Một số dẫn xuất metan như: CCl
4

, CHCl
3
, và các chất HCHO, SO
2
… gây độc
cho VSV kị khí.
Đặc biệt là các ion kim loại nặng, chúng đóng vai trò là các nguyên tố vi lượng
giúp cho các VSV phát triển thuận lợi nhưng nếu vượt quá các giá trị cho phép sẽ gây
độc cho các VSV yếm khí. Người ta đã xác định được tính độc của các ion kim loại đến
hệ VSV này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni. Giới hạn nồng độ cho phép của các ion
kim loại này là: Cr: 690 mg/l; Cu: 150 – 500 mg/l; Pb: 900 mg/l; Ni: 73 mg/l.
1.3.5. So sánh quá trình xử lý yếm khí và hiếu khí
Với cùng mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, so sánh với xử lý hiếu khí, xử lý yếm
khí có những lợi thế như ít tốn kém năng lượng vận hành, lượng bùn thải thấp, nhu cầu
về thành phần dinh dưỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở
dạng khí metan. Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trưng: tốc độ
chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hôi, tính ăn mòn cao và
không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu được pH thấp. Ưu điểm và
nhược điểm của xử lý yếm khí so với xử lý hiếu khí được tóm tắt trong bảng 2.
18

Bảng 1.5. Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí
Ưu điểm Nhược điểm
- Giá thành vận hành thấp
- Lượng bùn hình hành thấp
- Ít gây phát tán dạng sol khí
- Bùn có tính bền cao
- Sản phẩm metan sử dụng làm nhiên
liệu
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp do tốc độ phát

triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh
cao
- Có thể hoạt động theo mùa do khả năng
tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói
- Giá thành xây dựng cao
- Thường phải cấp thêm nhiệt
- Thời gian lưu thủy lực dài
- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi
và ăn mòn cao
- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém
- Hình thành khí H2S
- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo
dài thời gian khởi động hệ xử lý
- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử
lý.

Qua bảng ta thấy rõ ưu điểm của xử lý yếm khí là tạo ra 1 lượng khí sinh học là nguồn
năng lượng có ích mới với chi phí vận hành thấp quy mô có thể áp dụng với các hộ dân.
Ngoài các tiêu chí so sánh liệt kê trong bảng 2, hình ảnh tổng quát về kỹ
thuật hiếu khí và yếm khí trong xử lý chất hữu cơ được thể hiện trong hình 1.6:
19


Hình 1.6. Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí
Với cùng một nguồn COD đầu vào với mô hình xử lý hiếu khí tạo ra sản phẩm khí là
CO
2
và lượng bùn thải ra là 50 - 60% nhưng với yếm khí thì lại tạo ra
70 - 90% khí biogas và lượng bùn thải ra rất thấp 5 - 15%. Do đó xử lý yếm khí có
ưu thế về mặt xử lý cũng như hiệu quả kinh tế cao hơn xử lý hiếu khí.

Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí
thực hiện trong không gian kín, môi trường khí do chính hoạt động của chúng tạo
thành và có thành phần khác hẳn so với không khí. Sản phẩm chính hình thành từ sự
phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan. Trong quá
trình phân hủy hiếu khí, khí cacbonic hình thành được nhanh chóng chuyển vào không
khí, trong khi khí cacbonic trong xử lý yếm khí thì chịu trạng thái cân bằng giữa pha
khí và pha lỏng do tồn tại ở trong vùng không gian cô lập. Trong nước, khí cacbonic
tồn tại dưới dạng một axit yếu. Nồng độ của axit cacbonic trong nước tỷ lệ thuận với
nồng độ của cacbonic trong pha khí. Vì vậy so với môi trường nước trong xử lý hiếu
khí thì nồng độ axit cacbonic trong môi trường yếm khí cao hơn nhiều. Cụ thể về một
số tiêu chí thể hiện ở bảng 3 bên dưới:


20

Bảng 1.6. So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu khí
Các đặc điểm Phương pháp kị khí Phương pháp hiếu khí
Nguồn nước
thải
Thích hợp cho các loại
nước thải ô nhiễm nặng,
COD và BOD cao tới hàng
ngàn mg/l, nhưng nồng độ
các ion kim loại cần phải
thấp
Thích hợp với các loại nước thải
ô nhiễm trung bình hoặc nhẹ, nếu
nồng độ ô nhiễm cao phải pha loăng
Hiệu quả xử
lý

Loại bỏ được BOD kém
hơn (85%), thời gian dài
hơn. Nước ra từ kị khí nên
tiếp tục xử lý hiếu khí
Loại bỏ được BOD nhiều hơn
trong thời gian ngắn hơn và còn loại
bỏ được N cũng như P. Hiệu quả khử
BOD cao nhất có thể đạt
Khả năng bị
ức chế
Các VSV rất nhạy cảm
đối với các chất có tác
dụng ức chế như kim loại
nặng, chất hữu cơ bền.
Phụ thuộc vào oxi cấp liên tục
vào
Mùi Sinh ra nhiều mùi hôi
thối: H
2
S từ nước thải có
chứ sunfat, scatol từ các
hợp chất chứa N
Sản phẩm sinh ra chủ yếu CO
2

nên gây ít mùi hơn
1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ.
Hiện nay ở Việt Nam, chỉ một phần CTHC được đem tái sử dụng, còn lại phần
lớn là đem chôn lấp. Với lượng chất thải ngày càng tăng, với điều kiện “đất chật người
đông” như Việt Nam, việc xây dựng các bãi chôn lấp sẽ ngày càng khó khăn. Có thể

nói ở nước ta, khí sinh học là một nguồn nhiên liệu “sạch” và tiết kiệm nhất do tận
21

dụng được nguồn chất thải từ nông nghiệp và các đô thị. Mô hình biogas mới được ứng
dụng ở các vùng nông thôn, với nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi và trồng trọt. Trong
khi đó lượng CTHC có trong CTR chiếm phần lớn nên việc xử lý các loại CTHC bằng
phân hủy yếm khí sinh biogas có thể là một hướng đi phù hợp góp phần giải quyết
phần nào tình trạng ô nhiễm môi trường và thiếu nhiên liệu thay vì cần phải chôn lấp.
Thành phần chủ yếu của biogas là metan, đây là thành phần khí đốt sinh năng
lượng, nó có nhiệt trị cao (gần 9000Kcal/m
3
). Do đó, nhiệt trị của biogas khoảng 4500
– 6000 kcal/m
3
, tùy thuộc vào phần trăm của metan hiện diện trong biogas. Động cơ
chạy bằng biogas có thể biến 1m
3
biogas thành 1kWh điện, tiết kiệm được 0,4 lít diesel
và góp phần làm giảm phát thải 1kg khí CO
2
vào bầu khí quyển.
Tuy nhiên muốn có thể áp dụng phương pháp PHYK các CTHC vào thực tế là
điều không đơn giản, bởi lẽ chúng ta cần có những thông số cho biết rõ cần phải thực
hiện đối với loại chất thải nào để thực hiện PHYK để mang về lợi ích kinh tế cao nhất.
Do đó chúng ta cần phải nghiên cứu để mà xác định trước những thông số ấy, thông số
quan trọng đó có thể nói đến chính là khả năng sinh khí metan của một số loại chất hữu
cơ đặc trưng có trong chất thải, cũng như khoảng thời gian mà chúng phân hủy hoàn
toàn, hay khoảng thời gian mà cho ra nhiều khí metan nhất.
Trên cơ sở đo được lượng khí sinh ra từ từng loại chất thải riêng lẻ, nếu ta có thể
phân tích được thành phần cụ thể của chúng trong các loại rác thải, thì có thể tính trước

một cách tương đối chính xác tổng lượng khí biogas thu được khi lên men một khối lượng
rác thải trong điều kiệm yếm khí. Và từ khối lượng biogas đó nếu đem sản xuất điện năng
thì chúng ta có thể thu được bao nhiêu điện. Nói một cách khác chúng ta có thể biết được
việc chúng ta lên men rác thải để thu lấy biogas có giá trị kinh tế hay không.