nghiên cứu ảnh hưởng ẩm độ nguyên liệu lục bình lên khả năng sinh khí biogas

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN


BÙI QUỐC TÚ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ẨM ĐỘ
NGUYÊN LIỆU LỤC BÌNH LÊN KHẢ NĂNG
SINH KHÍ BIOGAS

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRẦN SỸ NAM

Cần Thơ, 2013


KÝ TÊN HỘI ĐỒNG
Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu ảnh hưởng ẩm độ nguyên
liệu lục bình lên khả năng sinh khí biogas”, do Bùi Quốc Tú thực hiện và báo cáo đã
được hội đồng chấm luận văn thông qua.

PGS.TS. Bùi Thị Nga

PGS.TS. Nguyễn Hữu Chiếm

TS. Nguyễn Xuân Lộc

i

LỜI CẢM TẠ

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người đã giúp đỡ tôi tận tình trong
quá trình làm luận văn tốt nghiệp:
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Sỹ Nam, thầy Nguyễn Võ Châu
Ngân đã cung cấp những kinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên môn và tận tình
hướng dẫn, luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian
thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Nhân đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy, cô Bộ môn Khoa học
Môi trường; quý thầy, cô khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên - Trường Đại
học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn tới chị Nguyễn Thị Thùy học viên Cao học ngành Khoa học
Môi trường K18, các bạn Văn Thị Mỹ Linh, Vưu Nguyễn Bích Nguyên, Nguyễn Văn
Quốc, Lê Quang Thạnh, Nguyễn Văn Lộc và Trần Trung Trí lớp Kỹ thuật Môi trường
K36.
Xin gửi lời cảm ơn thân ái nhất đến các bạn lớp Khoa học Môi trường K36 đã
giúp đỡ, ủng hộ, động viên trong suốt thời gian học tập và trong thời gian thực hiện
luận văn.
Sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã giúp đỡ và động viên
tinh thần cho tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Chân thành!
Sinh viên thực hiện

Bùi Quốc Tú

ii


TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ẩm độ nguyên liệu lục bình lên khả năng sinh

khí biogas” được thực hiện nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của ẩm độ nguyên liệu
lục bình phối trộn phân heo lên khả năng sinh khí biogas. Thí nghiệm được bố trí theo
mẻ hoàn toàn ngẫu nhiên với các ẩm độ lục bình khác nhau gồm 25%, 50%, 70% và
90%; các mẻ ủ được theo dõi liên tục trong 45 ngày. Mỗi nghiệm thức đều được bố trí
với 3 lần lặp lại với bình ủ 21 lít trong điều kiện phòng thí nghiệm. Các thông số thể
tích biogas sinh ra, thành phần biogas và các yếu tố môi trường mẻ ủ như pH, nhiệt độ,
điện thế oxy hóa – khử được theo dõi hằng ngày; các thông số VS, C/N, TKN, TP,
fecal coliform, tổng vi sinh vật yếm khí được phân tích khi bắt đầu và kết thúc quá
trình ủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỉ lệ C/N của hỗn hợp ủ trong thí nghiệm dao
động trong khoảng 21,7/1 ÷ 22,6/1 thích hợp cho quá trình lên men yếm khí. Các thông
số môi trường kiểm soát quá trình ủ đều nằm trong khoảng thuận lợi cho quá trình sinh
khí: nhiệt độ dao động từ 26,8 oC ÷ 31,1oC, pH dao động từ 6,70 ÷ 7,63, điện thế oxy
hóa khử dao động từ -334.7 ÷ -150 mV và độ kiềm dao động từ 1493 ÷ 2340 mg
CaCO3/L. Lục bình có ẩm độ 25% là nghiệm thức cho tổng thể tích tích dồn khí CH 4
cao nhất, kế đến là nghiệm thức lục bình có ẩm độ 70% và 50% và thấp nhất là lục bình
tươi với ẩm độ 90%. Hàm lượng khí methane của các nghiệm thức dao động từ 3,1%
đến 52,27%. Hàm lượng khí methane ở giai đoạn đầu khá thấp sau đó tăng dần và ổn
định kể từ tuần thứ 3 trở đi ở mức trên 40%. Năng suất sinh khí methane của nghiệm
thức ẩm 25% là cao nhất (277,06 L CH4/kg VSphân hủy), kế tiếp là ẩm độ 50% và 70% và
thấp nhất là ẩm độ 90% (164,78 L CH4/kg VSphân hủy), không có sự khác biệt giữa hai
nghiệm thức ẩm độ 50% và 70%. Hàm lượng dinh dưỡng của mẻ ủ sau thí nghiệm vẫn
còn cao: TKN từ 744,8 ÷ 898,8 mg/L, TP từ 693,2 ÷ 1034,5 mg/L.
Từ khóa: biogas, methan, ẩm độ, lục bình, phân heo, ủ yếm khí theo mẻ.

iii


MỤC LỤC
KÝ TÊN HỘI ĐỒNG ....................................................................................................... i
TÓM TẮT ....................................................................................................................... iii

MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT....................................................................................... vii
DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................... viii
DANH SÁCH HÌNH ...................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................1
ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................................1
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................3
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................................................3
2.1 Tổng quan về khí sinh học (Biogas) .......................................................................3
2.1.1 Thành phần khí sinh học ..................................................................................3
2.1.2 Sản xuất khí sinh học .......................................................................................6
2.1.3 Các hình thức nạp nguyên liệu cho quá trình ủ yếm khí .................................6
2.1.4 Nguyên liệu sản xuất khí sinh học ...................................................................6
2.1.5 Thành phần của nguyên liệu ............................................................................9
2.1.6 Quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ ..................................................10
2.2 Cây Lục bình (Eichhornia crassipes) và khả năng sử dụng làm nguyên liệu làm
khí sinh học .................................................................................................................20
2.2.1 Đặc điểm cây Lục bình ..................................................................................20
2.2.2 Sử dụng lục bình cho sản xuất khí sinh học ..................................................24
2.3 Đặc điểm hóa học của phân heo và sản xuất khí sinh học từ phân heo................24
CHƯƠNG 3 ....................................................................................................................28
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................28
3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .......................................................................28
3.2. Phương tiện nghiên cứu .......................................................................................28
iv


3.2.1 Dụng cụ bố trí thí nghiệm .............................................................................28
3.2.2 Thiết bị sử dụng trong phân tích ...................................................................28
3.3 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................29

3.3.1 Nguyên liệu đầu vào ......................................................................................29
3.3.2 Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................29
3.3.3 Phương pháp thu mẫu và phân tích ..............................................................31
3.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..............................................................33
3.4.1 Phương pháp tính toán ..................................................................................33
3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu .............................................................................36
CHƯƠNG 4 ....................................................................................................................37
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................37
4.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu nạp ............................................................37
4.2 Các thông số kiểm soát quá trình ủ yếm khí ........................................................38
4.2.1 Nhiệt độ .........................................................................................................38
4.2.2 pH ..................................................................................................................39
4.2.3 Điện thế oxy hóa – khử..................................................................................41
4.3 Ảnh hưởng của ẩm độ lục bình lên khả năng sinh khí biogas ..............................43
4.3.1 Lượng khí methane tích dồn ..........................................................................43
4.3.2 Xác định thời điểm sinh khí cực đại ..............................................................44
4.4 Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức .....................................................46
4.4.1 Nồng độ khí methane .....................................................................................46
4.4.1 Nồng độ khí CO2 ...........................................................................................48
4.5 Năng suất sinh khí methane của thí nghiệm .........................................................49
4.6 Hàm lượng tổng đạm, tổng lần và nhu cầu oxy hóa học của đầu ra mẻ ủ ............50
4.6.1 Hàm lượng tổng đạm .....................................................................................50
4.6.2 Hàm lượng tổng Photpho...............................................................................50
4.6.3 Nhu cầu oxy hóa học .....................................................................................52
v


4.6.4 Vi sinh vật trong mẻ ủ - Feacal coliform ......................................................52
4.7 Ẩm độ nguyên liệu lục bình .................................................................................54
CHƯƠNG 5 ....................................................................................................................55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................55
5.1 Kết Luận ...............................................................................................................55
5.2 Kiến Nghị .............................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................1
PHỤ LỤC .........................................................................................................................4

vi


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Khí sinh học

KSH
WH

Lục bình

Water hyacinth

Phân heo

PH
TKN

Total Kjeldal Nitrogen

Tổng nitơ Kjeldahl

TP

Total Photphorus

Tổng photpho

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học
Tỷ lệ cacbon/nitơ

C/N
VS

Volatile Solids

Chất rắn dễ bay hơi

TS

Total Solids

Tổng chất rắn

HRT

Hydraulic Retention Time

Thời gian lưu

VSV

Vi sinh vật

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

vii


DANH SÁCH BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 2.1 Nhu cầu khí sinh học cho các mục tiêu sử dụng

3

Bảng 2.2 Thành phần biogas theo các tài liệu khác nhau

4

Bảng 2.3 Thành phần khí sinh học ở một số quốc gia trên thế giới

4

Bảng 2.3 Phần trăm khí methane của một số nguyên liệu

5

Bảng 2.5 Lượng chất thải hằng ngày của một số động vật

7

Bảng 2.6 Năng suất sinh khí biogas của một số phân động vật

8

Bảng 2.7 Đặc tính và sản lượng biogas của một số nguyên liệu thường gặp

9

Bảng 2.8 Tỷ lệ C/N của một số nguyên liệu

17

Bảng 2.9 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của lục bình

17

Bảng 2.10 Một số đặc tính hóa học cơ bản của một số loại thực vật

24

Bảng 2.11 Thành phần hóa học của phân heo trọng lượng từ 70 ÷ 100kg

25

Bảng 2.12 So sánh thành phần hóa học của phân heo với các loại gia súc, gia
cầm khác

26

Bảng 2.13 Lượng phân thải trung bình của gia súc trong 24h

26

Bảng 2.14 Ảnh hưởng của loại phân đến sản lượng phân và thành phần
khí methane

27

Bảng 3.1 Tỷ lệ nguyên liệu đầu vào cho thí nghiệm

30

Bảng 3.2 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong thí nghiệm

32

Bảng 4.1 Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu ủ yếm khí

37

viii


DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các chất và các địn tử được thể hiện qua Redox
Hình 2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng snh khí của hầm ủ
Hình 3.1 Mô hình bình ủ theo mẻ của thí nghiệm
Hình 4.1 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức trong 45 ngày
Hình 4.2 Diễn biến pH của mẻ ủ trong 45 ngày
Hình 4.3 Diễn biến điện thế oxy hóa – khử của mẻ ủ trong 45 ngày
Hình 4.4 Tổng vi sinh vật yếm khí của mẻ ủ trong 45 ngày
Hình 4.5 Tích dồn thể tích khí methane của các nghiệm thức trong 45 ngày
Hình 4.6 Diễn biến khí methane sinh ra hằng ngày
Hình 4.7 Phần trăm khí methane của các nghiệm thức trong
Hình 4.8 Phần trăm khí cacbonic sinh ra hằng ngày ở các nghiệm thức
Hình 4.9 Năng suất sih khí methane của các nghiệm thức trong thí nghiệm
Hình 4.10 Tổng đạm đầu vào và đầu ra của mẻ ủ
Hình 4.11 Tổng lân đầu vào và đầu ra của mẻ ủ
Hình 4.12 COD đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm
Hình 4.13 Fecal coliform của các nghiệm thức

ix

11
14
16
31
39
40
41
42
43
45

47
48
49
50
51
52
53


CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, việc sử dụng khí sinh học (biogas) ở nông thôn đang
được đẩy mạnh. Khí sinh học là một loại nhiên liệu tái sinh hữu ích, giảm thiểu ô
nhiễm môi trường, tạo ra nguồn nhiên liệu sạch thay thế các chất đốt truyền thống, góp
phần giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, tạo ra nguồn phân bón hữu ích
cho cây trồng (Nguyễn Quang Khải, 2002; Nguyễn Duy Thiện, 2010). Các mô hình
biogas như túi ủ, hầm ủ hiện tại chỉ sử dụng nguyên liệu nạp chủ yếu là phân heo,
nhưng do tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ, giá cả bấp bênh, dịch bệnh, không có kinh phí mở
rộng diện tích chăn nuôi nên số lượng đàn heo thiếu ổn định gây thiếu hụt nguồn
nguyên liệu nạp cho hầm ủ, túi ủ biogas, dẫn đến hiệu quả sử dụng và khai thác biogas
không cao (Trương Tấn Định, 2011).
Bèo tây thường gọi chung là Lục bình (WH), tên khoa học: Eichhornia crassipes,
là một loài thực vật thủy sinh hiện diện trên khắp các sông ngòi và kênh rạch của vùng
đồng bằng sông Cửu Long. Lục bình là một loài sinh vật ngoại lai với sự phát triển
nhanh chóng lục bình đã và đang gây nhiều vấn đề cho môi trường nước như gây tắc
nghẽn giao thông thủy, giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng sông rạch, phân hủy làm ô
nhiễm nguồn nước (Seehausen et al., 1997; Malik, 2006 trích dẫn bởi O. Almoustapha,
S. Kenfack, and J. Millogo-Rasolodimby, 2009). Nhiều năm qua, việc sử dụng lục bình
để làm nguyên liệu sinh khí biogas là chủ đề được quan tâm và nghiên cứu. Trong điều
kiện môi trường và khí hậu thích hợp, năng suất lục bình có thể đạt 175 tấn lục bình

khô/ha/năm (O.P. Chawla trích bởi Kha Mỹ Khanh, 1990), theo Nguyễn Bích Ngọc
(2000) thì năng suất lục bình đạt 150 tấn chất khô/ha/năm. Vì vậy, lục bình có thể đáp
ứng được yêu cầu làm nguyên liệu thay thế cho quá trình ủ yếm khí. Các nghiên cứu
trước đây (Nguyễn Võ Châu Ngân et al.,2012; Lê Trần Thanh Liêm, 2010) chỉ nghiên
cứu việc sử dụng lục bình sau khi đã phơi khô để làm nguyên liệu thay thế cho phân
heo. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu về việc ẩm độ của nguyên liệu lục bình ảnh
hưởng như thế nào đến khả năng sinh khí biogas. Theo Dương Thúy Hoa (2004), lục
bình tươi có ẩm độ rất lớn 90%. Nếu sử dụng lục bình tươi nạp vào hầm ủ hoặc túi ủ sẽ
mau đầy túi ủ hoặc hầm ủ. Nếu đem đi phơi khô, dưới tác động của tia UV và một số
loại tia khác sẽ gây mất dưỡng chất của lục bình, tốn nhiều thời gian, công lao động,
nếu quá khô lại gây nổi nguyên liệu khi nạp vào túi ủ làm vật liệu khó bị phân hủy.

1


Xuất phát từ các vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ẩm độ nguyên liệu
lục bình lên khả năng sinh khí biogas” đã được thực hiện với Mục tiêu tổng quát là
sử dụng nguồn sinh khối lục bình bổ sung cho sản xuất biogas bên cạnh phân heo.
Mục tiêu cụ thể: xác định ảnh hưởng của ẩm độ lục bình lên tổng lượng khí,
năng suất sinh khí và thành phần khí sinh ra.
Nội dung nghiên cứu:
-

Chuẩn bị vật liêu (lục bình, phân heo) bố trí thí nghiệm.

-

Bố trí thí nghiệm ủ yếm khí theo mẻ để đánh giá ảnh hưởng của các ẩm độ lục
bình phối trộn phân heo lên hiệu suất sinh khí biogas, tổng lượng khí biogas tích
dồn và thành phần khí biogas.

-

Phân tích vật liệu đầu vào và đầu ra thông qua các thông số: tổng cacbon, TKN,
C/N, VS, TP, COD, tổng coliform, Fecal coliform và tổng vi sinh vật yếm khí.

-

Theo dõi diễn biến nhiệt độ, pH, hiệu điện thế oxy hóa – khử của mẻ ủ, xác định
tổng lượng khí biogas và thành phần khí (CH4, CO2, O2, H2S).

2


CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Tổng quan về khí sinh học (Biogas)
2.1.1 Thành phần khí sinh học
Quá trình phân huỷ xảy ra trong môi trường không có oxi được gọi là quá trình
phân huỷ kỵ khí hoặc yếm khí. Sản phẩm khí thu được là một hỗn hợp khí chủ yếu
gồm khí cacbonic (CO2) và khí methane (CH4). Hỗn hợp khí này được gọi là khí sinh
học (KSH). Vì vậy quá trình phân huỷ kỵ khí còn được gọi là quá trình lên men khí
sinh học hoặc lên men sinh metan (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).
Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), KSH hay khí bùn là sản phẩm bay
hơi của quá trình lên men kỵ khí phân giải các chất hữu cơ phức tạp.
Khí sinh học được xem như là một nguồn nhiên liệu tái tạo thay thế cho các loại
nhiên liệu truyền thống như: củi, than, than đá… Khí sinh học được sử dụng chủ yếu ở
hộ gia đình vào việc đun nấu, thắp sáng, sưởi ấm, phơi sấy nông sản. quy mô lớn
hơn khí sinh học có thể dùng để chạy các động cơ diesel vào việc phát điện, bơm nước
(Bảng 2.1).

Bảng 2.1 Nhu cầu khí sinh học cho các mục tiêu sử dụng
Mục tiêu sử dụng

Nhu cầu khí

Nấu ăn

0,28 – 0,42 m3/người/ngày

Thắp sáng

0,11 – 0,13 m3/đèn 100W/giờ

Đun nước uống

0,11 m3/lít

Chạy động cơ máy nổ

0,60 – 0,70 m3/kw giờ

Chạy máy lạnh

1,2 m3/giờ/ m3 thể tích được làm lạnh

Chạy máy ấp trứng

0,5 – 0,7 m3/giờ/ m3 buồng ấp

Chạy động cơ xăng

0,4 – 0,5 m3/mã lực

Chạy động cơ diezen

0,45 m3/mã lực
(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997; Nguyễn Quang Khải, 2002)

Thành phần khí sinh học chủ yếu là CH4 và CO2, tổng hợp từ nhiều tài liệu khác
nhau, thành phần KSH được trình bày ở bảng sau (Bảng 2.2)

3


Bảng 2.2 Thành phần biogas theo các tài liệu khác nhau
Tài liệu tham khảo

Tỉ lệ phần trăm (%) các chất khí trong KSH
CH4

CO2

N2

H2

NH3

H2S

Lê Hoàng Việt (2009)

55 ÷ 65

35 ÷ 45

0÷3

0÷1

Nguyễn Võ Châu Ngân
(2012)

44 ÷ 61

Rakičan (2007)

55 ÷ 80

15 ÷ 45

Chongrak Polprasert (2007)

55 ÷ 65

35 ÷ 45

0÷3

RISE-AT (1998)

55 ÷ 70

30 ÷ 45

0÷3

Fabien Monnet (2003)

55 ÷ 70

30 ÷ 45

0÷2

Nguyễn Quang Khải (2002)

50 ÷ 70

30 ÷ 45

0÷3

0÷3

0÷3

Nguyễn Quang Khải và

50 ÷ 70

30 ÷ 40

0÷9

0÷7

0 ÷ 0,5

60 ÷ 70

30 ÷ 35

ít

ít

0÷1

ít
0÷1

0÷ 0,5

0÷1

0÷1

ít

ít

ít

ít

Nguyễn Gia Lượng (2010)
Lâm Minh Triết và cộng sự
(1989)

ít

ít

Trên thế giới hiện nay, có rất nhiều quốc gia sản xuất KSH như Hoa Kì, Trung
Quốc, Đức, Ấn Độ, … Thành phần KSH ở mỗi quốc gia cũng sẽ khác nhau (Bảng 2.3).
Bảng 2.3 Thành phần KSH ở một số quốc gia trên thế giới
Quốc gia

Thành phần khí
CH4

CO2

N2

H2

CO

O2

H 2S

Hoa Kì

54 - 70

45 – 27

5,3

1 - 10

0,1

0,1

Vết

Đức

53,8 - 62

44,7 – 37

1

0,3

0,1

0,1

Vết

Ấn Độ

35 - 70

55 - 28

1

1 - 10

0,1

0,1

Vết

(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997)

Qua nhiều tài liệu tham khảo khác nhau, có thể thấy thành phần chính của KSH là
CH4 (50 ÷ 70%) và CO2 (30 ÷ 45%) và một số khí khác như: N2, H2S, H2, NH3. Thành
phần khí NH3, H2S có trong KSH là rất ít nhưng có khả năng gây mùi khó chịu. Trong
tất cả các thành phần thì khí CH4 là thành phần quan trọng nhất, % khí CH4 ảnh hưởng
lớn đến chất lượng KSH, % khí CH4 quá thấp thì KSH không thể cháy được. Thông
thường khí biogas có hàm lượng CH4 dao động từ 45% - 70% (Bảng 2.2)

4


Nhiệt trị của biogas từ 5.200 ÷ 5.900 kcal/m3 (nhiệt trị của khí CH 4 gần 9.000
kcal/m3), tùy thuộc vào phần trăm của CH4 hiện diện trong biogas (Lê Hoàng Việt,
2005; Nguyễn Quang Khải, 2009; Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997; Nguyễn
Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003b; RISE-AT, 1998). Theo Lâm Minh
Triết và cộng sự (1989), khi đốt cháy hoàn toàn 1 m3 KSH có thể thu được lượng nhiệt
trung bình 5.500 – 6.500 kcal. Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương
(2003b) thì giá trị năng lượng của biogas (15.600 kJ/kg) chỉ kém sau dầu mỏ (18.000
kJ/kg), cao hơn gỗ (2.400 kJ/kg) và than đá (7.000 kJ/kg). Giá trị năng lượng của
biogas là 21,48 MJ/m3 (Fabien Monnet, 2003). Giá trị nhiệt lượng của khí sinh học phụ
thuộc vào hàm lượng methane có trong hỗn hợp khí, hàm lượng methane này lại phụ
thuộc vào chất lượng của nguyên liệu. Vì vậy giá trị nhiệt lượng của hỗn hợp khí thu
được từ các nguồn nguyên liệu khác nhau thường dao động rất lớn (Ngô Kế Sương và
Nguyễn Lân Dũng, 1997).
Bảng 2.4 Phần trăm khí CH4 của một số nguyên liệu
Loại nguyên liệu

% CH4

Phân bò

65

Xác rau cỏ

60 ÷ 70

Phân heo

65 ÷ 70

Phân gia cầm

60
(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997)

Sự đốt cháy khí sinh học với đầy đủ oxy sinh ra khí CO2, nước và nhiệt lượng
theo phương trình phản ứng sau:
CH4 + 2O2 → CO2 + H2O + Q

(2.1)

Do thành phần chủ yếu của biogas là khí methane nên khí sinh học cháy được và
khi cháy có ngọn lửa màu đỏ xanh. Tuy nhiên trong quá trình cháy biogas sinh ra mùi
trứng thối do trong thành phần biogas có khí hydro sulfur (H 2S), đây là hạn chế của
biogas, một số nhà nghiên cứu đang trong quá trình nghiên cứu việc tách khí H 2S khỏi
biogas đê tránh việc gây mùi ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng. Khí H2S tạo
thành acid sunfuric H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho con người và làm hư
dung cụ đun nấu. Mùi hôi của chất này giúp xác định nơi hư hỏng để sửa chữa. Khí
biogas có đặc tính dễ cháy khi hòa lẫn nó với tỉ lệ 6 – 25% trong không khí, vì thế khi
sử dụng gas này sẽ có tính an toàn cao (Trần Vũ Quốc Bình, 2006). Nếu hổn hợp khí
mà CH4 chiếm 60% thì 1 m3 gas cần 8 m3 không khí. Nhưng trong thực tế, khí biogas
5


được cháy tốt trong không khí khi nó được hòa lẫn ở tỷ lệ 1/9 – 1/10 (Ủy ban Khoa học
kĩ thuật Đồng Nai, 1989). Trong thành phần Biogas lượng O2 chiếm rất ít nên không

duy trì sự sống.
2.1.2 Sản uất khí sinh học
Trong tự nhiên khí methane được sinh ra ở những nơi nước sâu, tù đọng như các
đầm lầy, dưới đáy ao hồ, giếng, ruộng ngập nước sâu hoặc trong bộ máy tiêu hóa của
động vật. Trong điều kiện nhân tạo, để sản xuất biogas người ta xây dựng hoặc chế tạo
các thiết bị khí sinh học như hầm ủ biogas hoặc túi ủ. Nguyên liệu cho quá trình sản
xuất biogas thường là phân người, phân gia súc, bùn, phế phẩm nông nghiệp. Nguyên
liệu được nạp vào các thiết bị khí sinh học. Thiết bị giữ kín không cho không khí lọt
vào nên nguyên liệu sẽ bị phân hủy bởi các vi sinh vật yếm khí và tạo ra biogas. Đa số
các hầm ủ biogas ở ĐBSCL chủ yếu sử dụng nguyên liệu nạp là phân heo, một số kết
hợp sử dụng phân người và phân heo.
2.1.3 Các hình thức nạp nguyên liệu cho quá trình ủ yếm khí
a) Nạp theo mẻ
Toàn bộ nguyên liệu được nạp đầy một lần vào mẻ ủ và thời gian lên men bắt đàu
từ lúc cho nguyên liệu vào cho đến khi khí sinh ra giảm xuống tới mức không thể thu
nhận được nữa. Mẻ nguyên liệu phân hủy dần dần và khí sinh ra được thu lại để sử
dụng. Sau một thời gian đủ để nguyên liệu phân hủy gần như hoàn toàn, nguyên liệu
được lấy ra khỏi mẻ ủ. Người ta chừa lại trong mẻ ủ khoảng 10 – 25% nguyên liệu đã
phân hủy để làm chất mồi cho các mẻ ủ tiếp theo (Lê Hoàng Việt, 2005; Nguyễn
Quang Khải, 2002).
b) Nạp bán liên tục
Nguyên liệu được nạp đầy lúc mới đưa thiết bị vào hoạt động. Sau đó , nguyên
liệu được bổ sung thường xuyên khi có một phần nguyên liệu đã phân hủy được lấy đi
để nhường chỗ cho phần nguyên liệu mới được nạp vào. Cách này thường phù hợp với
điều kiện nguyên liệu không có sẵn ngay một lúc mà được thu góp hằng ngày như phân
người và phân gia súc (Nguyễn Quang Khải và nguyễn Gia Lượng, 2010). Nguyên liệu
theo định kì một hay hai lần trong một ngày được nạp vào ngay thời điểm đó cùng một
lượng chất thải sẽ được lấy ra (Lê Hoàng Việt, 2005; Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn
Thị Thùy Dương, 2003b).
2.1.4 Nguyên liệu sản uất khí sinh học

a. Nguyên liệu có ngu n gốc từ động v t
6


Thuộc loại này là các loại phân như phân gia súc, gia cầm, phân bắc..., các bộ
phân cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế
biến thuỷ, hải sản... Các loại phân đã được xử lý trong bộ máy tiêu hoá của động vật
nên dễ phân huỷ và nhanh chóng tạo khí sinh học. Tuy vậy thời gian phân huỷ của các
loại phân không dài (khoảng từ 2 - 3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được từ 1 kg
phân cũng không lớn. Phân gia súc như trâu, bò, lợn phân huỷ nhanh hơn phân gia cầm
và phân bắc, nhưng sản lượng khí của phân gia cầm và phân bắc lại cao hơn (Nguyễn
Quang Khải Và Nguyễn Gia Lượng, 2010).
Sản lượng và đặc tính của chất thải vật nuôi phụ thuộc vào khối lượng, loại và
tuổi của vật nuôi, khẩu phần thức ăn, chế độ nuôi dưỡng.
Bảng 2.5 Lượng chất thải hằng ngày của một số động vật
Lượng chất thải hàng ngày (kg/ngày/cá thể)
Động v t
Phân

Nước tiểu

Bò

15 – 20

6 – 10

Trâu

18 – 25

8 – 12

Dê/cừu

1,5 – 2,5

0 ,6 – 1, 0

Lợn

1,2 – 3,0

4 – 6

Gia cầm

0 ,02 – 0, 05

Người

0,2 – 0,4

0 ,3 – 1, 0
(Nguồn: Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

Bảng 2.6 Năng suất sinh khí biogas của một số loại phân động vật
Phân

Lượng khí sinh học

%CH4

(m3/kg chất khô)

Bò

0,33

58

Trâu

0,86 - 1,11

57

Gà

0,31 - 0,54

60

7


Heo

0,69 - 0,76

58 – 60

Cừu

0,37 - 0,61

64

Gia súc khác

0,23 - 0,5

58

(Nguyễn Đức Lượng, 2003)

b) Nguyên liệu có ngu n gốc thực v t
Các nguyên liệu thực vật là những 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...). Gỗ và thân cây
già rất khó phân huỷ nên không dùng làm nguyên liệu được (Nguyễn Quang Khải,
2002). Theo Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) các nguyên liệu thực
vật có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy. Vì vậy nguyên liệu càng già càng khó phân
hủy. Để cho quá trình phân hủy được thuận lợi, những nguyên liệu thực vật cần được
xử lý trước (chặt, băm, đạp nhỏ và ủ sơ bộ hiếu khí) để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng
diện tích bề mặt cho vi khuẩn tấn công. Quá trình phân hủy của nguyên liệu thực vật
dài hơn so với phân động vật (có thể tới hàng năm). Do vậy nguyên liệu thực vật nên
sử dụng theo cách nạp từng mẻ nhỏ, mỗi mẻ kéo dài từ 3 - 6 tháng.
c) Sản lượng biogas của các loại nguyên liệu
Nhìn chung hàm lượng chất khô của các laoij phân tươi vào khoảng 20%, còn lại
là nước. Các loại phân thường giàu nitrogen, năng suất sinh khí của các loại phân tính

cho vật chất khô nằm trong khoảng từ 0,2 ÷ 1,11 m3/kg và hàm lượng methane của
biogas sản xuất từ phân chiếm khoảng 57 ÷ 69% (Lê Hoàng Việt, 2005). Nguyên liệu
để sản xuất KSH là các chất hữu cơ. Vì các chất hữu cơ có thành phần khác nhau nên
năng suất KSH của chúng cũng khác nhau. Năng suất KSH của nguyên liệu chính là
lượng khí thu được khi nguyên liệu phân hủy hoàn toàn (Nguyễn Quang Khải và
Nguyễn Gia Lượng, 2010).
Trong thực tế khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị KSH
thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được pahan hủy trong một thời gian nhất
định và chưa phân hủy hoàn toàn. Bảng 2.7 cho chúng ta hệ số tham khảo đối với một
số nguyên liệu ủ yếm khí thường gặp. sản lượng khí được tính theo nguyên liệu nạp
hằng ngày (lít/kg/ngày). Phân động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung
hằng ngày.
8


Bảng 2.7 Đặc tính và sản lượng biogas của một số nuyên liệu thường gặp

Tỷ lệ C/N

Sản lượng khí
hằng ngày
(lít/kg nguyên
liệu tươi)

18 – 20

24 – 25

20 - 32

30 – 40

16 – 18

24 – 25

20 – 32

3,5 -7

24 – 33

12 – 13

40 – 60

0,07 – 0,10

25 – 50

5 – 15

50 – 60

Phân người

0,18 - ,34

20 -34

2,9 – 10

60 – 70

Bào tây tươi

-

4–6

12 – 25

0,3 – 0,5

Rơm rạ khô

-

80 - 85

48 - 117

1,4 - 2,0

Loại nguyên
liệu

Phân + nước
tiểu (kg/v t
nuôi*ngày)

Hàm lượng
chất khô (%)

Phân bò

18 – 25

Phân trâu
Phân lợn
Phân gia cầm

(Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.1.5 Thành phần của nguyên liệu
a) Thành phần hợp chất
Các nguyên liệu hữu cơ ở trạng thái tươi thường chứa hàm lượng nước rất cao (70
– 90% trọng lượng). Khi sấy nguyên liệu ở 105 0C, nước sẽ bay hơi hết. Phần còn lại
được gọi là chất khô hay chất rắn. Chất khô bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ
trong đó hợp chất hữu cơ chiếm tỷ lệ lớn. Phần hữu cơ là phần chất khô có thể phân
huỷ được và sản lượng KSH của nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần này. Khi đốt
nóng nguyên liệu ở 550 0C, các chất hữu cơ sẽ bay hơi hết, nói chung còn lại là các
chất vô cơ. Vì thế người ta thường coi phần chất hữu cơ là chất rắn bay hơi, còn phần
vô cơ là phần tro (Nguyễn Quang Khải, 2002).
Theo Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010), các hợp chất hữu cơ là
những hợp chất phức tạp, thuộc 3 lớp hợp chất chính sau đây: gluxit, lipit và protit
(prôtêin).
Gluxit còn gọi là hyđrat cacbon, gồm nhiều hợp chất khác nhau, chiếm tỷ lệ lớn
trong tổng số chất khô của nguyên liệu: 60 – 70% đối với phân và 70 – 90% đối với
nguyên liệu thực vật. Hai chất chính là xenluloza và hemixenluloza chiếm 30 – 50%

tổng chất khô của các loại phân, 50 – 60% của rơm rạ. Đặc biệt trong số các gluxit có
lignin là một chất có cấu tạo phức tạp, cùng với xenluloza tạo nên các màng tế bào gỗ
9


của thực vật và gắn kết chúng lại với nhau. Trong gỗ, lignin chiếm 20 – 30%. Trong
các loại cỏ, tỷ lệ đó thấp hơn: 10 – 20%. Nó có thể chiếm tới 21% trong phân lợn, 32%
trong phân trâu bò, 12% trong trấu... Trong các mô thực vật già đã hoá gỗ, lignin có thể
chiếm tới 35% tổng chất khô. Đây là thành phần rất khó phân huỷ kỵ khí của các chất
hữu cơ.
Lipit còn được gọi là chất béo như dầu, mỡ, sáp... Các chất béo không hoà tan
trong nước nên cũng khó phân huỷ. Chất béo thường có trong phần thức ăn gia súc rơi
vãi lẫn trong phân. Đặc biệt trong nước thải lò mổ, thành phần này khá cao nên việc xử
lý đòi hỏi phải có những giải pháp thích hợp. Trong điều kiện kỵ khí, có những loại vi
sinh vật có khả năng phân huỷ những chất béo thực vật thành một hyđrocacbua giống
như dầu mazut, không tan trong nước và nổi lên mặt nước tạo thành những váng giống
như váng dầu hoả.
Protit là những hợp chất hữu cơ phức tạp, ngoài 4 nguyên tố C, H, O, N còn chứa
cả lưu huỳnh (S), photpho (P)... Trong quá trình phân huỷ các protit sinh ra các khí tạp
NH3, H2S, ... gây mùi khó chịu.
Các chất khó phân huỷ như lignin, sáp, v.v. luôn có mặt trong các chất hữu cơ
dùng làm nguyên liệu nạp cho quá trình phân hủy yếm khí. Vì vậy sự tạo thành váng và
lắng cặn là không tránh được.
b) Thành phần nguyên tố
Xét về cấu tạo nguyên tố hoá học, các chất hữu cơ gồm các nguyên tố chủ yếu là
cacbon (C), hyđro (H2), oxy (O2) , và một số nguyên tố khác như nitơ (N2) , lưu huỳnh
(S), photpho (P), kali (K)... Ba thành phần chính tạo ra metan và khí cacbonic là 3
nguyên tố đầu nên các nguyên liệu được biểu diễn bởi công thức hoá học đại diện là
CxHyOz.
2.1.6 Quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ

a) Cơ chế của quá trình lên men yếm khí
Theo Lê Hoàng Việt (2005), Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) các hệ
thống vyếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều
kiện không có oxy. Quá trình lên men yếm khí của chất thải hữu cơ trong điều kiện
yếm khí là một quá trình diễn ra phức tạp liên quan đến hàng trăm phản ứng, chất trung
gian và mỗi phản ứng sẽ được xúc tác bởi một loại enzim hay chất xúc tác.
Phương trình chuyển hóa chất hữu cơ đã được đơn giản hóa như sau:
10


Chất hữu cơ

Lên men yếm khí

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S +Q (2.1)

Giai đoạn I

Giai đoạn II

Giai đoạn III

Thủy phân và lên men

Tạo axid acetic, H2

Sinh CH4

Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí
(Mc. Carty, 1981 trích bởi Lê Hoàng Việt, 2005)

Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Theo Lê Hoàng Việt (2005), Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) thì các
chất hữu cơ có trong nguyên liệu nạp phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như
protein, cacbonhydrate, chất béo, cellulose, ligin và một số ở dạng không hòa tan. Phần
lớn trong số các polymer hữu cơ này được phân hủy bởi các enzyme ngoại bào của vi
khuẩn tạo thành những chất có phân tử lượng nhỏ hơn và có khả năng tan vào trong
nước. Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ tan được là
nguyên liệu cho các vi khuẩn sinh axit hấp thụ ở giai đoạn 2.
Các phản ứng thủy phân ở giai đoạn này biến đổi các chất hữu cơ như protein
thành aminoacid, cacbonhydrate thành các đường đơn, chất béo thành các axit chuỗi
dài, tuy nhiên các chất hữu cơ là cellulose, lignin rất khó phân hủy đây là giới hạn của
quá trình phân hủy yếm khí. Bởi vì lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động
chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu
nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm ủ và các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ.
Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003b) thì có nhiều loài
vi sinh vật trong giai đoạn này, kéo dài khoảng hai ngày. Có các vi khuẩn yếm khí, vi
khuẩn hiếu khí và cả vi khuẩn yếm khí tùy tiện. Vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy hòa tan
tồn tại một lượng nhất định để gia tăng số lượng (rồi chết khi hết oxy) ở giai đoạn này.
11


Giai đoạn 2: Giai doạn sinh a it
Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axit axetic
(acetate) và H2, N2 và CO2 bởi vi khuẩn acetogenic. Các axit hữu cơ dễ bay hơi là
những sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với protein, chất béo,
cacbon hydrat, trong đos axit acetic, axit propionic và axit lactic là những sản phẩm
chính. Tỉ lệ các sản phẩm này sẽ phụ thuộc vào hệ vi sinh vật trong hầm ủ và các điều
kiện môi trường (Lê Hoàng Việt, 2005). Do sinh nhiều axit nên pH của môi trường có
thể giảm mạnh (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997).

Chất nền

→

CO2 + O2 + acetate

(2.2)

Chất nền

→

propionate + butyrate + ethanol

(2.3)

Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003b), trong giai đoạn
2 có sự phát triển mạnh mẽ của các loài vi khuẩn thủy phân các chất hữu cơ và các vi
khuẩn tạo axit. Giữa giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh
methane. Một số loài vi khẩn acetogenic chuyển hóa các axit béo bay hơi thành acetate,
từ acetate chuyển hóa tiếp thành CH4 và CO2.
Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh khí methane
Các sản phẩm giai đoạn 2 sẽ chuyển đổi thành CH 4 và các sản phẩm khác bởi
nhóm vi khuẩn methane. Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc
độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn thủy phân và giai đoạn axit hóa. Các
vi khuẩn methane sử dụng axit acetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane trong
đó có axit acetic là nguyên liệu chính với từ 70 – 80% methane được sản sinh ra từ nó.
Phần methane còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ axit formic nhưng phần
này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men
yếm khí (Lê Hoàng Việt, 2005).

Theo Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997) thì giai đoạn 3 là giai đoạn
sinh methane. Đây là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình. Dưới tác dụng
của các vi khuẩn sinh methane các hợp chất hữu cơ đơn giản và axit hữu cơ biến thành
khí CH4, CO2, O2, N2 và H2S…
Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003b) thì ở giai đoạn
này chuyển hóa các hợp chất hữu cơ hình thành ở giai đoạn 2 thành CH 4 là do nhóm vi
khuẩn methanogens. Các loài vi khuẩn này phát triển trong điều kiện hoàn yếm khí và
chúng thường phát triển chậm hơn các vi khuẩn giai đoạn 1 và 2.
Các phản ứng có thể diễn ra như sau:
12


Nguyên liệu →

CO2 + H2 + Acetate

(2.4)

Nguyên liệu →

Propionate + Butyrate + Ethanol

(2.5)

CH3COO- + H2O

→

CH4 + HCO3- + Năng lượng

(2.6)

4H2 + HCO3-

→

CH4 + 3H2O + Năng lượng

(2.7)

b. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí
 Chế phẩm vi sinh
Quá trình ủ yếm khí thường diễn ra tự nhiên ở những nơi có điều kiện ẩm ướt,
thiếu oxy và tích tụ nhiều chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học (RISE-AT, 1998). Các
vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy yếm khí thường có mặt sẵn trong các loại chất
thải hữu cơ, do đó không cần ohair sử dụng thêm chế phẩm vi sinh để cấy cho các hệ
thống. Tuy nhiên, vào lúc bắt đầu vận hành hệ thống, lượng vi vật yếm khí còn thấp, do
đó, để khởi động hệ thống một cách nhanh chóng ta có thể cho chất thải của một hệ
thống phân hủy yếm khí đang hoạt động được dùng làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang
hoạt động vào mẻ ủ) (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013).
 Môi trường kỵ khí
Trong các bể phân huỷ kỵ khí bắt buộc phải không có oxy. Vi khuẩn kỵ khí lấy
oxy từ nguồn cung khác, chứ không phải từ không khí. Nguồn oxy này có thể lấy từ
chính nguyên liệu hữu cơ hoặc từ các oxit vô cơ trong nguyên liệu nạp vào. Khi oxy
lấy từ các nguyên liệu hữu cơ, thì sản phẩm trung gian cuối cùng sẽ là rượu, aldehyt và
các axit hữu cơ cùng với cacbonic.
Đa số vi khuẩn tham gia vào quá trình tạo khí sinh học đều thuộc loại kỵ khí bắt
buộc hoặc không bắt buộc, nhậy cảm với oxy. Vi khuẩn sinh metan sẽ bị chết khi bị
phơi ngoài không khí. Vì vậy, môi trường kỵ khí là một yếu tố bắt buộc để các vi
khuẩn hoạt động được. Quá trình phân huỷ sinh khí sinh học là cả một quá trình đan

xen các giai đoạn. Các nhóm vi khuẩn khác nhau với điều kiện riêng khác nhau, nhưng
lại cùng đồng thời hoạt động và hỗ trợ lẫn nhau (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia
Lượng, 2010).
 Điện thế o i hóa khử
Điện thế oxy hóa khử của một mẻ ủ là thước đo khả năng oxy hóa hoặc khả năng
khử của hỗn hợp ủ. Khí sinh học được sản xuất một cách hiệu quả trong môi trường
yếm khí, tức là thế oxy hóa khử phải nhỏ hơn 330mV. Trong môi trường yếm khí hoàn

13


toàn, điện thế oxy hóa – khử luôn đạt giá trị âm (nhỏ hơn -100mV) (Jürgen Wiese, Ralf
König).

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các chất và các điện tử được thể hiện qua giá trị redox
(Nguồn: Sebastian Wulf, 2005)

Nói chung, việc sử dụng các chất nền bao gồm oxygen, nitrat, sunfat để đẩy mạnh
quá trình oxy hóa có thể thay đổi một cách đáng kể tiềm năng oxy hóa khử và cũng là
nguyên nhân gây ra sự thay đổi của pH. Ví dụ như sự thay đổi của chất nền có thể dẫn
đến quá trình lên men bị vô hiệu hóa. Đo điện thế oxy hóa – khử liên tục để nhận được
những cảnh báo sớm về tình trạng của mẻ ủ trước cả khi xảy ra sự thay đổi pH (Jürgen
Wiese, Ralf König).
Khí methane bắt đầu được hình thành khi giá trị điện thế oxy hóa – khử nhỏ hơn 250mV. Khi đó, các chất nền như CO2 và khí H2 sẽ được biến đổi thành CH4 và H2O
(Laanbroek, 1990 trích bởi Trương Thị Nga, 2013). Khí H 2S xuất hiện khi giá trị điện
thế oxy hóa – khử nhỏ hơn -150mV. Giá trị điện thế oxy hóa – khử nhỏ hơn -100mV
thể hiện môi trường đang ở tình trạng yếm khí hoàn toàn (Trương Thị Nga, 2013).
Theo Kumar và cộng sự (2010), trong giai đoạn thủy phân, giá trị tối đa của điện thế
oxy hóa – khử là -50mV và tối thiểu là -350mV trong 24h. Trong phân hủy yếm khí,
điện thế oxy hóa – khử đạt giá trị tối đa là -387 mV và tối đa là -452 mV trong 80h.

 Nhiệt độ
Nhiệt độ là một biến số của quá trình phân huỷ nói chung, ảnh hưởng đến hoạt
động của hệ thống vi khuẩn cũng như độ ẩm của khí sinh học. Độ ẩm của khí sinh học
tăng theo hàm số mũ của nhiệt độ. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sản lượng khí và các
14


chất hữu cơ bay hơi bị hoà tan vào nguyên liệu cũng như hàm lượng amon và khí hyđro
sulfua (Lê Hoàng Việt, 2005; Nguyễn Quang Khải, 2002).
Theo Mc Carty (1964) thì khoảng nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật ưa ấm phát triển
là khoảng 29,4 ÷ 37,8oC. Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật ưa nhiệt phát triển nằm trong
khoảng 48,9 ÷ 57,4oC. Các loài vi khuẩn khác nhau có thể tồn tại trong những biên
nhiệt khác nhau. Các loài vi khuẩn sống được trong biên nhiệt 35 – 40 0C thuộc nhóm
ưa ấm, sống trong biên nhiệt 55 – 60 0C thuộc nhóm ưa nhiệt. Do vậy sự lên men kỵ
khí có thể diễn ra trong khoảng nhiệt độ 3 – 70 0C, và có thể được chia thành 3 giới hạn
ứng với 3 loại quần hệ vi khuẩn ưa lạnh, ưa ấm và ưa nhiệt:
•

Nhiệt độ lạnh (ưa lạnh): < 20 0C

•

Nhiệt độ trung bình (ưa ấm): 20 0C – 40 0C

•

Nhiệt độ cao (ưa nhiệt): > 40 0C

nhiệt độ cao, tốc độ phát triển của vi khuẩn và sự phân huỷ nguyên liệu nhanh
hơn. Tốc độ sinh metan của vi khuẩn tăng theo nhiệt độ, nhưng phản ứng phân huỷ

sinh học lại có thể bị ức chế do lượng amon tự do cũng tăng theo nhiệt độ. Nói chung,
các bể phân huỷ không được gia nhiệt thì chỉ hoạt động được tốt trong khoảng nhiệt độ
trung bình hàng năm ≥ 20 0C hoặc nhiệt độ trung bình hàng ngày tối thiểu 18 0C. Trong
khoảng 20 – 28 0C, năng suất sinh khí tăng mạnh. Khi nhiệt độ nguyên liệu dưới 15 0C,
năng suất khí giảm, và nếu kéo dài thì công trình sẽ không mang lại hiệu quả (Nguyễn
Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).
Sự biến thiên nhiệt độ cũng ảnh hưởng nhạy cảm đến khả năng sinh khí. Độ dao
động nhiệt dưới đây coi như không ảnh hưởng đến quá trình sinh khí:


Nhiệt độ lạnh: ± 2 0C/giờ



Nhiệt độ ấm: ± 1 0C/giờ



Nhiệt độ cao: ± 0,5 0C/giờ

Thực tế, nếu nhiệt độ đột ngột lên xuống 5 0C, thì năng suất sinh khí bị giảm đáng
kể. Nếu nhiệt độ thay đổi nhiều hơn nữa, quá trình sinh khí có thể ngừng và nguyên
liệu lên men sẽ bị axit hoá. Nếu nhiệt độ thay đổi vượt quá ngưỡng, các vi khuẩn kỵ khí
trong bể phân huỷ có màng sinh học sẽ bị tách ra, làm ảnh hưởng đến khả năng sinh
khí (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010).

15