Kỹ thuật xứ lý yếm khí chất thải chăn nuôi thu biogas (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CNSH - CNTP
GVHD: TS. Lê Thanh Hà
SVTH: Phạm Vũ Hiểu
Lê Thu Trang
Phạm Văn Khoa
Hoàng Văn Giáp
Trần Thị Sơn
Đề Tài
KĨ THUẬT XỬ LÝ YẾM KHÍ CHẤT THẢI THU BIOGAS
Giới Thiệu
Tìm Hiểu Chung Về Biogas
Các Loại Hầm Và Bể Biogas
Ứng Dụng
NỘI DUNG
I. Giới Thiệu
Thực Trạng Gia Súc, Gia Cầm Trên Địa Bàn Hà Nội
Theo số liệu cục chăn nuôi, nước ta có khoảng 220 triệu con gia cầm, 8,5 triệu con bò, 27 triệu con heo.
Mỗi năm,ngành chăn nuôi thải ra môi trường trên 73 triệu tấn chất thải rắn và 80% chất thải lỏng được xả thẳng ra tự nhiên
không qua xử lý, từ đó gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong đó, giải pháp sử dụng công nghệ sinh học thu biogas được xem là hiệu quả để phát triển chăn nuôi bền vững
Click icon to add picture Click icon to add picture
II. Tìm Hiểu Chung Về Biogas
1.Khái Niệm Biogas là gì ?
Biogas là viết tắt của Biological gas là hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong môi
trường yếm khí
Thành phần Biogas: , , , , , O
2
, CO….trong đó (50-60%) , (30-40) là chủ yếu
•

2. Cơ sở khoa học của công nghệ Biogas
2.1 Nhóm vi sinh vật Biogas
- Nhóm vi khuẩn không sinh metan ()
+ Nhóm vi khuẩn lên men: Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp, không tan thành các chất hữu cơ đơn
giản và tan được.
+ Nhóm vi khuẩn sinh axetat và hydro : phân hủy tiếp các chất sinh ra trong giai đoạn đầu như acid
propionic và alcohol… ( những chất này không thể sử dụng trực tiếp bởi các vi khuẩn sinh metan ) thành
acid acetic, ,
•

Vi khuẩn biến dưỡng cellulose Sản phẩm axit tạo được
Clostridium carnefectium
Clostridium cellobinharus
Clostridium dissolves
Clostridium thermocellaseum
Bacillus cereus
Bacillus knolkampi
Bacillus megaterium
Bacterodies succigenes
Pseudomonas
Ruminococus sp
A.fomic, A.acetic
A.lactic, etanol, cacbonic
A.fomic, A.acetic
A.lactic, A.sucinic, etanol
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.sucinic
Fomic, acetic, lactic, sucinic, etanol

a.Fomic, a.acetic, a.lactic
Vi khuẩn
Nhóm vi sinh vật lên men trong bể Biogas
2.1 Nhóm vi sinh vật Biogas
- Nhóm vi khuẩn sinh metan ): chuyển hóa các axit axetic, , axit formic, được sinh ra từ giai đoạn thứ nhất và thứ hai thànhvà Nhóm vi khuẩn này
là nhóm vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt, rất nhạy cảm với oxy và các chất oxy hóa.
•
Điều kiện cho các vi khuẩn sinh khí metan phát triển mạnh đó là:
- CO
2
đầy đủ trong môi trường
- Có nguồn Nito khoảng 3,5 mg/g bùn lắng, tỉ lệ C/N = 30/1 => Tốt nhất là cung cấp Nito từ Cacbonat amon, Clorua amon
•
Trong quá trình lên men kị khí các loài vi sinh vật bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do nhiều yếu tố khác nhau:
Mức độ kị khí
Tác động của sản phẩm trao đổi khí
Tác động cạnh tranh dinh dưỡng ….v.v
•

Vi khuẩn sinh khí metan Sản phẩm cơ chất
Methanobacterium omelianskii
Methanopropionicum
Methanoformicum
Methanosochngenii
Methanosuboxydans
Methanosarcina barkerni
Methanococus vanirielli
Methanorumin anticum
Methanococus mazei
Methanosarcina methanica

CO2, H2, rượu bậc 1, bậc 2
A. Proionic
H2, CO2, fomic
A.acetic
Abutiric,A.valeric, A.capropionic
CO2, H2, A.acetic, metanol
H2, A.formic
H2, A.formic
A.acetic, A.butyric
A.acetic, A.butyric
- Mối quan hệ giữa các nhóm vi khuẩn: chúng tạo nhiên liệu, điều kiện và môi trường thuận lợi
cho nhau cùng phát triển.
2. Cơ sở khoa học của công nghệ Biogas
2.2 Quá trình tạo khí sinh học
Là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng và cuối cùng tạo khí , .
Quá trình này được thực hiện theo nguyên tấc phân huỷ kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí. Trải qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn I : Thủy phân
Giai đoạn II : Sinh acid
Giai đoạn III : Sinh metan
•

•
Các giai đoạn của quá trình tạo khí sinh học
Chất hữu cơ, Cacbohygrat,chất béo,
protein
Propionic, butyric, các rượu khác và các
thành phần khác
Khối vi khuẩn

Khối vi khuẩn

Khối vi khuẩn
,
acid acetic

, acid acetic

GĐ1
GĐ2
GĐ3
2.2 Quá trình tạo khí sinh học
Nguyên tắc:
•
Phân hủy kị khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí. Sự phân hủy kị khí diễn ra qua nhiều giai đoạn với hàng
ngàn sản phẩm trung gian, với dự tham gia của các chủng vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân huỷ protein ,lipit,
tinh bột tạo thành acid amin, glycerin, axit béo, methyamin Cùng các chất độc hại như Tomain, Indol, Scaltol.
Và cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được dễ dàng bởi vi khuẩn như Lignin, Cellulose.
Con đường thứ nhất
•
Sự acid hóa cellulose
(C
6
H
10
O
5
)
n
+ nH
2
O 3n CH

3
COOH
•
Sự tạo muối
Các bazo trong môi trường NH
4
OH
CH
3
COOH + NH
4
OH CH
3
COONH
4
+ H
2
O
•
Lên men metan do sự thủy phân của muối
CH
3
COONH
4
CH
4
+ CO
2
+ NH
4

OH
Con đường thứ 2
•
Sự axit hóa
(C
6
H
10
O
5
)
n
+ nH
2
O 3n CH
3
COOH
•
Thủy phân tạo CO2 và H2
CH
3
COOH

+ H
2
O 2CO
2
+ 4H
2
Metan được tổng hợp từ vi khuẩn khi sử dụng CO

2
và H
2

CO
2
+ 4H
2
CH
4
+ H
2
O
Có sự tham gia của các vi khuẩn có enzym cellulosase. Các hợp chất hữu cơ cao phân tử được vi
sinh vật chuyển thành các chất có trọng lượng thấp hơn như acid hữu cơ, đường, glicerin
Giai III: là giai đoạn phát triển mạnh của các loài vi khuẩn sinh khí metan. Đầu tiên là sự tạo thành
các acid hữu cơ, pH giảm xuống rõ rệt. Các acid hữu cơ và hợp chất chứa Nito tiếp tục phân hủy tạo
thành hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, H2, N2, CH4. Các vi khuẩn sinh khí metan phát
triển mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4
=> Như vậy, Biogas được hình thành trong mooit trường kị khí dưới tác dụng của enzym cellulosase
và nhóm vi khuẩn sinh khí metan
3. Nguyên liệu sản xuất Biogas và cách xử lý nguyên liệu
3.1 Nguyên liệu đưa vào sản xuất Biogas
•
Yêu cầu
- Giàu cellulose. ít Ligin
- ban đẩu khoảng 2000mg/l
- Tỷ lệ carbon / nitơ: 20/30
- Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước.
•

Nguồn nguyên liệu chính là:
+ Phân hữu cơ nguồn gốc từ chuồng nuôi (bò lợn, gà).
+ Rác thải hữu cơ, rác thải sinh hoạt dễ phân hủy
+ Ngoài ra có thể sử dụng bèo Lục Bình,

3. Nguyên liệu sản xuất Biogas và cách xử lý nguyên liệu
Khả năng cho phân và thành phẩn hoá học của phân gia súc,gia cầm
Vật nuôi
Khả năng cho phân hàng ngày của
500kg v.nuôi
Thành phần hóa học
(% khối lượng phân tươi)
Thể tích: Trọng lượng: tươi
(kg)
Chất tan dễ tiêu Nitơ Photpho Tỷ lệ C/N
Bò sữa
Bò thịt
Lợn
Trâu
Gia cầm
0,038
0,038
0,028

0,028
38,5
41,7
28,4
6,78
31,3

7,98
9,33
7,02
10,2
16,8
0,38
0,7
0,83
0,31
1,2
0,1
0,2
0,47

1,2
20-25
20-25
20-25

7-15
Vật nuôi
Khả năng cho phân hàng ngày của
500kg v.nuôi
Thành phần hóa học
(% khối lượng phân tươi)
Trọng lượng: tươi
(kg)
Chất tan dễ tiêu Nitơ Photpho Tỷ lệ C/N
Bò sữa
Bò thịt

Lợn
Trâu
Gia cầm
0,038
0,038
0,028

0,028
38,5
41,7
28,4
6,78
31,3
7,98
9,33
7,02
10,2
16,8
0,38
0,7
0,83
0,31
1,2
0,1
0,2
0,47

1,2
20-25
20-25

20-25

7-15
3. Nguyên liệu sản xuất Biogas và cách xử lý nguyên liệu
3.2 Xử lý nguyên liệu nạp vào Biogas
Trước khi xử dụng cần phải lọc kĩ, xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu chất lượng: giàu cellulose, ít ligin NH4+ khoảng 2000 mg/l. Tỉ lệ C/N:
20/30. Nguyên liệu phải được hòa tan trong nước
•
Nạp nguyên liệu lần đầu: Chuẩn bị 700 - 800kg phân tươi làm nguyên liệu ban đầu.
•
Làm lỏng phân gia súc và chất thải chăn nuôi, cắt nhỏ rác thải như rau, cỏ ăn thừa của gia súc, một phần rơm rạ, thân cây ngô già, bèo
tây,
•
15-20 ngày sau khi nạp nguyên liệu ban đầu, không nên nạp nguyên liệu bổ sung để giữ cho quá trình lên men đạt trạng thai ổn định.
•
Sau thời gian nói trên, cần nạp nguyên liệu bổ sung và lấy phần bã đã phân hủy đi. Lượng bổ sung vào bằng lượng lấy đi, không nên nạp
quá nhiều hay quá ít.
•
Nạp nguyên liệu thường xuyên hàng ngày chính là lượng phân từ chuồng trại và từ hố xí trực tiếp chảy thẳng vào hầm.
•
Lượng nước cũng được bố sung sao cho tỷ lệ giữa phân và nước là 1:5
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Biogas
•
Điều kiện yếm khí
•
Tỉ lệ C/N = 30/1
•
Nhiệt độ
•
Độ ẩm

•
Độ pH và độ kiềm
•
Thành phần dinh dưỡng
•
Hàm lượng chất rắn
•
Thời gian ủ và lượng vi khuẩn sinh metan
•
Tỷ lệ C/N
•
Thời gian lưu
•
Các độc tố gây trở ngại quá trình lên men
•
Độ mặn
•
Lượng nguyên liệu nạp
•
Chất khoáng trong nguyên liệu nạp
•
Khuấy trộn
•
Một số yếu tố khác
•
Điều kiện yếm khí
pH đóng vai trò quan trọng, pH quá trình thủy phân 4 - 5. Vi khuẩn hoạt động tốt ở pH 6,5 – 7,2 ( quá trình khí hóa). Nếu dưới 6 hặc lớn
hơn 8 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh.
•
Ảnh hưởng của nhiệt độ: tác nhân sinh học tạo ra CH

4
có hai nhóm vi khuẩn ưu ấm, vi khuẩn ưa nhiệt
Quá trình hình thành CH
4
theo 2 con đường đã trình bày ở trên
- T: 30 – 37C vi khuẩn ưu ấm phát triển tốt, nhưng các khí tạo thành chậm, khả năng khử CO
2
tăng, hiệu suất thu hồi CH
4
tăng
- T: 55 – 60C vi khuẩn ưa nhiệt hoạt động mạnh:
Hoạt lực enzym mạnh, quá trình chuyển hóa nhanh, sản phẩm tạo thành CH
4 ,
CO
2
tăng nhanh
Đối lưu thiết bị lên men mạnh các khí dễ thoát ra mất CO
2
, H2 giảm khả năng khử CO
2
, hiệu suất thu hồi giảm
•
Độ ẩm : Đạt 91,5 – 96 % thích hợp cho vi khuẩn metan phát triển, độ ẩm lớn hơn 96% tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản
lượng khí sinh ra thấp
•
Thành phần dinh dưỡng: Tỉ lệ C/N thích hợp 25/1 – 30/1.
•
Hàm lượng chất rắn : nên chiếm dưới 9%. Hàm lượng này thay đổi theo mùa từ 7 – 9%. Vào mùa khô ở nước ta nhiệt
độ cao khả năng sinh gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao
hơn. Tỉ lệ chất rắn trong nước phân heo 6% là tối ưu để sinh gas với nhiệt độ trung bình 25 – 27C

Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được
Nguyên liệu Sản lượng khí /kg phân
khô
Hàm lượng (%) Thời gian lên men (ngày)
Phân bò
Phân gia cầm
Phân heo
1,11
0,56
1,02
57
69
68
10
9
20
Nguyên liệu Thời gian lên men (ngày)
Phân bò
Phân gia cầm
Phân heo
1,11
0,56
1,02
57
69
68
10
9
20
III. Các Loại Hầm Và Bể Biogas

1. Hầm ủ
Khả năng sinh gas từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau
•
Thể tích của hầm ủ biogas
•
Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm
•
Thời gian lưu lại của dịch phân
•
Tỉ lệ nước dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân hủy
1.1 Phân loại hầm ủ
Hầm nắp trôi nổi
Ưu điểm
• Áp suất khí ổn định
• Phù hợp hầm lớn
• Dễ sử dụng
Nhược điểm
• Chi phí cao
• Không làm ở vùng xa xôi hẻo lánh, do không có nắp hầm bằng kim loại.
• Đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên
• Tương đối nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ, không phù hợp cho vùng núi.
•
Nắp nổi I