công trình khí sinh học

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
LỜI MỞ ĐẦU
Khí sinh học lần đầu tiên được phát hiện vào cuối thế kỷ 18. Nó là sản
phẩm bay hơi được của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ
phức tạp. Thành phần chủ yếu của khí sinh học là mêtan chiếm khoảng 60 –
70%, phần còn lại là CO
2
thường dao động từ 35 – 40%. Ngoài ra còn một phần
rất nhỏ các hỗn hợp khí khác như H
2
S, H
2
, O
2
, N
2
,…
Các khu vực nông thôn ở các nước đang phát triển có sự đa dạng về sinh
khối có sẵn như củi, chất thải nông nghiệp và chất thải động vật. Khí sinh học
giải quyết một phần nhu cầu về chất đốt, nhiên liệu để thắp sáng, củi, dầu lửa,…
góp phần cải thiện môi trường và đời sống ở nông thôn. Đến nay việc sử dụng khí
sinh học được phát triển rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trung Quốc và
Ấn Độ là hai nước đang phát triển đứng đầu về mức độ phát triển công nghệ khí
sinh học trên thế giới. Hiện nay, Trung Quốc có khoảng 7 triệu công trình cỡ gia
đình, khoảng 800 công trình cỡ trung và cỡ lớn, và khoảng 50 nghìn công trình khí
sinh học xử lý nước thải sinh hoạt. Tại Ấn Độ hiện có hơn 3 triệu công trình đã
được xây dựng. Cả hai nước đều đầu tư vào việc ứng dụng công nghệ khí sinh học
toàn diện và thu được kết quả tốt trong các mặt sử dụng khí (dùng để đun nấu,
thắp sáng, chạy máy nổ, ấp trứng, sưởi ấm gà con,…).
Tại Việt Nam, công nghệ khí sinh học được ứng dụng thử nghiệm từ những
năm 60. Đến nay ở nước ta, số công trình khí sinh học được xây dựng trong toàn

quốc khoảng 30000. Công trình khí sinh học không những nhằm bảo vệ môi
trường mà còn cung cấp khí thỏa mãn các nhu cầu đun nấu, thắp sáng,… cho người
dân.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 1
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Sự gia tăng dân số cùng với Khoa học kỹ thuật phát triển sử dụng rộng rãi
các loại năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt,…) trong công nghiệp,
nông nghiệp và dân dụng làm chóng cạn và đã dẫn đến khủng hoảng nghiêm
trọng các dạng năng lượng này. Để ngăn chặn sự đe dọa môi trường cần thiết tìm
ra các nguồn tài nguyên khác của năng lượng có thể phục hồi như năng lượng
thủy triều, năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Gần đây, việc khai thác nguồn
năng lượng sinh học nhằm đáp ứng các nhu cầu về chất đốt và làm nguyên liệu
cho các động cơ đốt trong đang được con người quan tâm, nhất là người dân ở
nông thôn với nguồn nguyên liệu chủ yếu từ phân gia súc, gia cầm, lá cây sau khi
thu hoạch… Ngoài ra, nước thải giàu chất hữu cơ của những ngành công nghiệp
cũng là một trong những nguyên liệu được quan tâm và nghiên cứu để sản xuất
khí sinh học.
Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến cao su ở nước ta đang phát triển
mạnh với sản lượng cao su chế biến ngày càng tăng, kèm theo đó là lượng nước
thải ra. Đây là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường thêm trầm
trọng. Nước thải chế biến cao su chủ yếu chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh
học (95%) như axit béo, đường, protein, lipid và các muối khoáng. Các thành
phần của nước thải chế biến cao su hoàn toàn thích hợp cho xử lý sinh học để sản
xuất khí sinh học. Bên cạnh sản lượng cao su tăng lên là nguồn nhiên liệu sử
dụng để sấy cao su ngày càng nhiều. Do đó, tiềm năng sử dụng khí sinh học làm
nguồn cung cấp nhiên liệu phục vụ cho công việc này rất được khuyến khích.
Sử dụng nước thải chế biến cao su để sản xuất khí sinh học góp phần giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời sử dụng khí sinh học làm nhiên liệu

SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 2
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
để sấy cao su sẽ tiết kiệm được nguồn nhiên liệu đốt. Xuất phát từ những vấn đề
trên, đề tài ‘’ Nghiên cứu sản xuất và sử dụng khí sinh học từ nước thải ngành
chế biến cao su” được thực hiện.
1.2. Mục tiêu của luận văn
- Xác đònh khả năng sản xuất khí sinh học từ nước thải chế biến cao su;
- Xác đònh hiệu quả sử dụng khí sinh học vào việc sấy cao su tờ;
- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến cao su tờ sau quá trình sản
xuất khí sinh học.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là nước thải chế biến cao su tờ (RSS) trong sản xuất
thực tế và dựa trên mô hình pilot xử lý nước thải với công suất xử lý 2 m
3
/ngày.
Số liệu được thu thập và phân tích tại Phòng Thí Nghiệm Nước thải − Bộ Môn
Chế Biến − Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp: tổng hợp tài liệu có liên quan đến khí sinh học và
nước thải chế biến cao su
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Nghiên cứu quá trình lên men kỵ khí sinh khí sinh học
+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất khí sinh học
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
+ Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở xây dựng, vận hành và kiểm
nghiệm mô hình mô phỏng ở quy mô pilot.
+ Phân tích các chỉ tiêu lý hóa trong phòng thí nghiệm theo TCVN của
nước thải đầu vào và đầu ra bể xử lý sinh học kỵ khí.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 3
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích

1.5. Phạm vi nghiên cứu
Đánh giá khả năng sản xuất và sử dụng khí sinh học từ nước thải chế biến
cao su tờ dựa trên mô hình pilot.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 4
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ
BIẾN CAO SU
2.1. Nguồn gốc nước thải chế biến cao su
2.1.1. Phương pháp chế biến
Một cách tổng quát, sản phẩm của công nghiệp chế biến cao su thiên
nhiên có thể được chia làm hai loại: cao su khô và cao su lỏng. Cao su khô là các
sản phẩm dưới dạng rắn như cao su khối, cao su tờ, cao su crepe,… Cao su lỏng là
các sản phẩm dưới dạng mủ cao su cô đặc để có hàm lượng cao su khoảng chừng
60%. Do phương pháp chế biến chủ yếu là phương pháp ly tâm nên cao su lỏng
cũng thường được gọi là mủ ly tâm. Quá trình chế biến mủ ly tâm cũng cho ra
một phụ phẩm là mủ skim, chứa khoảng 5% cao su.
Trong chế biến cao su khối, mủ cao su tiếp nhận tại nhà máy được khuấy
trộn điều trong một bồn chứa, rồi được pha loãng rồi để lắng trong một thời gian.
Mủ cao su đã pha loãng sau đó được chuyển sang các mương và được cho thêm
axit (axit fomic hay axit axetic). Dưới tác dụng của axit, mủ cao su đông lại thành
khối tách khỏi phần dung dòch còn lại (gọi là serum). Các khối cao su sau đó được
gia công bằng nhiều loại máy khác để tạo thành các hạt cốm có kích thước chừng
3 – 5 mm. Các thiết bò sấy sẽ làm khô các hạt cốm, và sau đó máy nén sẽ nén các
hạt đã khô lại thành khối.
Các sản phẩm cao su khô khác như cao su tờ và cao su crepe cũng trải qua
quá trình chế biến tương tự như trên, ngoại trừ sự tạo hạt. Các thành phần tờ và
crepe này có dạng tấm mỏng.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 5
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
2.1.2. Quy trình sơ chế mủ cao su

2.1.2.1. Quy trình chế biến mủ ly tâm
Mủ nước có khoảng 30% hàm lượng cao su khô (DRC) và 65% nước, thành
phần còn lại là các chất phi cao su. Các phương pháp đã được triển khai để cô đặc
mủ nước từ vườn cây là ly tâm, tạo kem và bốc hơi. Trong công nghiệp ly tâm do
sự khác nhau giữa tải trọng cao su nước, các hạt cao su dưới dạng serum được
tách ra nhờ lực ly tâm để sản xuất ra mủ ly tâm với tiêu chuẩn 60% DRC. Mủ ly
tâm sau đó được xử lý với các chất bảo quản phù hợp và đưa vào bồn lưu trữ và
để ổn đònh tối thiểu từ 20 – 25 ngày trước khi xuất.
Một sản phẩm phụ của công nghệ chế biến mủ ly tâm là mủ skim (DRC)
khoảng 6%. Mủ skim thu được sau khi ly tâm được đánh đông bằng axit và sơ chế
thành các tờ crepe dày hay sử dụng để sản xuất cao su cốm dưới nhiều dạng khác
nhau. Sau đây là sơ đồ công nghệ sản xuất của cao su ly tâm:
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 6
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su ly tâm
Máy ly tâm
Mủ nước vườn cây
Mủ ly tâm
Mủ skim
Đánh đông
Serum skim Cao su skim
Cán crep
Amonia
Nước thải
Nước thải
Nước thải
Axít
sunfuric
Nước để rửa các phương
tiện tiếp nhận, bồn chứa,

sàn
Nước thải
chung
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 7
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
2.1.2.2. Công nghệ chế biến cao su cốm
Trong công nghệ này, mủ nước từ vườn cây cao su sau khi được đánh đông
bằng axit và mủ đông vườn cây được đưa vào dây chuyền máy sơ chế để đạt kết
quả sau cùng là các hạt cao su có kích thước trung bình 3 mm trước khi đưa vào lò
sấy. Cao su sau khi sấy xong được đóng thành bành có trọng lượng 33,3 Kg hay
tùy theo yêu cầu của khách hàng.
Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su cốm
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 8
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 9
BỒN NGÂM RỬA
Nước rửa
Nước rửa
Nước rửa
Nước rửa
MỦ NƯỚC VƯỜN CÂY
BỒN NHẬN MỦ
CÁN CREPE SỐ 2
CÁN CREPE SỐ 3
CÁN CREPE SỐ 1
MÁY CÁN CẮT
LÒ SẤY
ĐÓNG BÀNH / ĐÓNG GÓI
CAO SU CỐM
MƯƠNG ĐÁNH ĐÔNG

MÁY BĂM BÚA
Nước rửa
Nước pha loãng
Axit foocmic / Axit acetic
MỦ ĐÔNG
VƯỜN
CÂY
/ MỦ TỜ
Nước thải
Rửa
Serum/Rửa
Nước thải
Nước thải
Nước thải
Nước thải hỗn
hợp của nhà máy

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
2.1.2.3. Công nghệ chế biến mủ tờ
Mủ nước vườn cây được lọc tự nhiên để loại bỏ tạp chất, các mảnh vụn,
cát,… Mủ sau đó được đổ vào các khuấy đánh đông và được pha loãng để DRC
còn khoảng 10%, pH của mủ giảm xuống còn 4,5 bằng cách sử dụng axit fomic
hay axit axetic và mủ nước thường để đông đặc qua đêm. Sau khi hoàn toàn đông
đặc, tấm mủ đông nổi lên trên serum và được đưa qua giàn cán mủ tờ. Cặp trục
đối của giàn cán có cắt rãnh để tạo lớp nhăn trên mủ. Tờ mủ sau đó được đem
phơi cho khô sau đó được đưa vào lò xông để sản xuất mủ tờ xông khói (RSS).
Mủ tờ hong khói (ADS) là một dạng mủ tờ không xông khói có màu vàng
lợt. Việc chế biến mủ ADS hoàn toàn giống như chế biến mủ RSS ngoại trừ
không xông khói. Người ta thêm 0,04% muối metabisulphit vào mủ nước để giữ
màu cao su. Sau đây là sơ đồ công nghệ sản xuất cao su mủ tờ:

SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 10
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su mủ tờ
2.2. Đặc tính của nước thải chế biến cao su
2.2.1. Thành phần của nước thải chế biến cao su
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 11
ĐÁNH ĐÔNG

Axit
MỦ NƯỚC VƯỜN CÂY
NHẬN MỦ
CÁN
SẤY
ĐÓNG GÓI
Rửa
Serum+
rửa
Rửa
Khí thải
Nước pha loãng
Nước rửa
Nước thải sau cùng
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Bảng 1: Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su (mg/l)
Chỉ tiêu
Chủng loại sản phẩm
Khối từ mủ
tươi
Khối từ mủ
đông

Cao su tờ Mủ ly tâm
N hữu cơ 20,2 8,1 40,4 139
NH
3
– N 75,5 40,6 110 426
NO
3
–N Vết Vết Vết Vết
NO
2
– N KPHĐ KPHĐ KPHĐ KPHĐ
PO
4
– P 26,6 12,3 38 48
Al Vết Vết Vết Vết
SO
4
2-
22,1 10,3 24,2 35
Ca 2,7 4,1 4,7 7,1
Cu Vết Vết Vết 3,2
Fe 2,3 2,3 2,6 3,6
K 42,5 48 45 61
Mg 11,7 8,8 15,1 25,9
Mn Vết Vết Vết Vết
Zn KPHĐ KPHĐ KPHĐ KPHĐ
(Nguồn: Bộ môn chế biến, Viện nghiên cứu cao su Việt Nam)
Từ bản số liệu ta rút ra nhận xét về nước thải ngành chế biến cao su:
- Không có sự khác biệt về số lượng các chất hóa học giữa các loại nước thải
từ các loại dây chuyền sản xuất các loại sản phẩm khác nhau. Các loại nước thải

này khác nhau chủ yếu về hàm lượng các chất đó.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 12
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
- Ngoài chất ô nhiễm hữu cơ, nước thải còn chứa N, P và K cùng với một số
khoáng vi lượng, trong đó đáng kể nhất là N ở dạng amoni với hàm lượng trong
khoảng 40 – 400 mg/l.
2.2.2. Đặc tính ô nhiễm của nước thải chế biến cao su
Bảng 2: Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su (mg/l)
Chỉ tiêu
Chủng loại sản phẩm
Khối từ
mủ tươi
Khối từ mủ
đông
Cao su tờ
Mủ ly
tâm
B
TCVN
5945-1995
COD 3540 2720 4350 6212 100
BOD 2020 1594 2514 4010 50
Tổng Nitơ
(TKN)
95 48 150 565 60
Nitơ Amoni
(AN)
75 40 110 426 1
Tổng chất rắn lơ
lửng (TSS)

114 67 80 122 100
pH 5,2 5,9 5,1 4,2 6 – 9
(Nguồn: Bộ môn chế biến, Viện nghiên cứu cao su Việt Nam)
Nước thải chế biến cao su có pH trong khoảng 4,2 – 5,2 do việc sử dụng
axit để làm đông tụ mủ cao su. Đối với mủ skim đôi khi nước thải có pH thấp hơn
nhiều (pH =1). Đối với cao su khối được chế biến từ nguyên liệu đông tụ tự nhiên
thì nước thải có pH cao hơn (pH = 6) và tính axit của nó chủ yếu là do các axit
béo bay hơi, kết quả của sự phân hủy sinh học các lipid và phospholipid xảy ra
trong khi tồn trữ nguyên liệu.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 13
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Hơn 90% chất thải rắn trong nước thải cao su là chất rắn bay hơi, chứng tỏ
bản chất bay hơi của chúng. Phần lớn các chất này ở dạng hòa tan, còn ở dạng lơ
lửng chủ yếu chỉ có những hạt cao su còn sót lại.
Hàm lượng nitơ hữu cơ thường không cao lắm và có nguồn gốc từ protein
trong mủ cao su, trong khi hàm lượng nitơ dạng amonia là rất cao, do việc sử
dụng amoni để chống đông tụ trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và tồn trữ
mủ cao su.
Tóm lại, nước thải chế biến cao su thuộc loại có tính chất ô nhiễm nặng.
Những chất ô nhiễm thuộc 2 loại ô nhiễm chất hữu cơ và chất dinh dưỡng.
2.3. Các chỉ tiêu chất lượng nước thải ngành chế biến cao su
2.3.1. pH
Xác đònh giá trò pH là yêu cầu cần thiết để biết nước thải có tính axit hay
kiềm. Thường những dòng nước thải từ các nhà máy chế biến cao su có tính axit
vì người ta sử dụng axit để đông tụ mủ nước. Giá trò pH của nước thải thường
được xác đònh bằng pH kế.
2.3.2. Nhu cầu oxy hóa học (COD)
Phép đo COD cho chúng ta một số đo đương lượng oxy của chất hữu cơ
trong mẫu thử, mà mẫu này dễ bò oxy hóa bởi một chất oxy hóa mạnh. Nó có một
thông số đo nhanh quan trọng để nghiên cứu nước và nước thải công nghiệp cũng

như kiểm tra nước thải của nhà máy. Giá trò COD chỉ số lượng toàn bộ chất hữu
cơ có trong chất thải. Nếu một chất thải có giá trò COD cao (chất hữu cơ cao) đã
không được xử lý và thải ra sông, những vi sinh vật trong nước sẽ tiếp tục phân
hủy chất hữu cơ và trong quá trình xả hết ra mức oxy được hòa tan trong nước
sông. Nếu khả năng làm thông khí trở lại của nước sông không đủ để cung cấp
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 14
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
oxy theo yêu cầu của vi khuẩn, thì mức oxy hòa tan sẽ tụt xuống số không và cá
cũng như những loại sống dưới nước sẽ chết.
2.3.3. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD)
Thử nghiệm nhu cầu oxy sinh hóa là loại biện pháp phân tích sinh hóa để
cố gắng dựa vào quy trình làm sạch tự nhiên của chất hữu cơ nhờ có oxy hóa nếu
nó xảy ra trong một con sông nơi mà oxy được hòa tan trong nước được sử dụng là
nhờ các vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ. Giá trò BOD biểu hiện phân số thoái hóa
sinh học của chất hữu cơ có trong 1 chất thải. Phương pháp Winkler đã được dùng
để xác đònh BOD trong chất thải cao su. Phương pháp gồm việc đo lượng oxy tiêu
thụ trong quá trình oxy hóa sinh học, chất hữu cơ dưới những điều kiện được theo
dõi.
2.3.4. Chất rắn lơ lửng tổng số (TSS)
Chất rắn lơ lửng chủ yếu trong nước thải cao su chủ yếu là những hạt cao
su chưa động tụ bởi axit. Phương pháp được thừa nhận để xác đònh hàm lượng
chất rắn lơ lửng là lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh. Cần phân tích chất rắn lơ lửng
càng nhanh càng tốt sau khi lấy mẫu, nên làm trong vòng 4 giờ. Nếu không được
phải giữ mẫu dưới 8
0
C trong tối. Nhưng không được để mẫu đông lạnh.
2.3.5. Tổng Nitơ (TN)
Đây là tổng lượng nitơ dưới dạng NH
3
và nitơ hữu cơ. Trong nước thải cao

su thì lượng nitơ hữu cơ dưới dạng NH
3
chiếm phần lớn trong tổng nitơ, do người
ta sử dụng số lượng lớn ammonia để bảo quản mủ nước.
Tổng lượng nitơ có trong nước thải cao su thường được xác đònh bằng
phương pháp Semi – micro Kjeldahl. Cơ bản phương pháp này bao gồm sự
chuyển biến của nitơ liên kết ban đầu dưới dạng hóa trò III thành ammonium
hydrosulphate dưới tác động của H
2
SO
4
có mặt chất xúc tác. Ammonia thu được
sẽ được xác đònh bằng chuẩn độ sau khi chưng cất.
2.3.6. Đạm amôni (AN)
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 15
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Đạm amôni bao gồm tổng lượng amôni tự do và liên kết hiện diện trong
nước thải cao su. Amôni liên kết có được từ phản ứng của amôni và axít (thường
là axit formic) trong suốt quá trình sản xuất cao su để tạo thành muối amôni
tương ứng. Lượng đạm amôni có trong nước thải cao su khá cao, phương pháp
chưng cất và chuẩn độ thường được sử dụng để ước lượng nó.
Chương 3: TỔNG QUAN VỀ BIOGAS
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 16
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
3.1. Biogas và quá trình sản xuất biogas
3.1.1. Bản chất hóa học của Biogas
Biogas hay khí sinh học (hay khí bùn) là sản phẩm bay hơi được của quá
trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp. Do mêtan là thành
phần chủ yếu nên khí sinh học là một loại khí cháy được. Tùy thuộc vào nguyên
liệu, thời gian phân hủy và nhiệt độ của môi trường bao quanh, hàm lượng mêtan

trong hỗn hợp khí dao động từ 60 – 70%. Trong điều kiện vi sinh vật hoạt động
kém, lượng khí mêtan có thể giảm còn 40 – 50%. Phần còn lại chủ yếu là CO
2
,
thường dao động từ 35 – 40%. Ngoài ra, hỗn hợp khí còn chứa dấu vết các khí
H
2
S, H
2
, O
2
, N
2
,… xem bảng sau:
Bảng 3: Thành phần khí sinh học (%)
Loại khí
Nước sản xuất
Mỹ Đức Ấn Độ
CH
4
CO
2
N
2
H
2
CO
O
2
H

2
S
54 – 70
27 – 45
5,30
1 – 10
0,10
0,10
Vết
53,8 – 62,0
37,0 – 44,7
1,0
9,3
0,10
0,10
Vết
35 – 70
28 – 55
1,0
1 – 10
0,10
0,10
Vết
(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)
Khí sinh học cháy cho ngọn lửa màu xanh, không sinh khói làm đen dụng
cụ nấu, 1 m
3
khí cháy tái sinh được một lượng nhiệt dao động từ 5200 – 5900
Kcal. Giá trò nhiệt lượng của khí sinh học tính theo Kcal phụ thuộc vào lượng chứa
mêtan trong hỗn hợp, trong khi lượng khí mêtan thu được lại phụ thuộc vào chất

lượng của nguyên liệu. Do đó không lấy gì làm lạ khi thấy giá trò nhiệt lượng của
hỗn hợp khí thu được từ các nguồn nguyên liệu khác nhau dao động tương đối lớn.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 17
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Bảng 4: Sự phụ thuộc của chất lượng khí sinh học vào chất lượng nguyên
liệu
Nguồn nguyên liệu Chất lượng khí (% mêtan )
Phân bò
Phân gia cầm
Xác rau cỏ
Cỏ voi
Phân gà – giấy vụn
Phân gà – cỏ vụn
Bùn cống thành phố
Phân lợn (heo)
65
60
60 – 70
60
60
68
68
65 – 70
(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)
 Đặc tính hóa lý của mêtan
Mêtan (CH
4
) là chất khí không màu, không mùi, nhẹ bằng nửa không khí
và ít hòa tan trong nước. Ở áp suất khí quyển, mêtan hóa lỏng ở nhiệt độ
-161,5

0
C. Vì vậy để hóa lỏng nó cần tốn năng lượng lớn. Điều này khác hẳn với
propan (C
3
H
3
) và butan (C
4
H
10
) là 2 thành phần chính của khí dầu lửa hóa lỏng
(LPG), chúng hóa lỏng ở 42,1
0
C và -0,5
0
C.
Mêtan là thành phần chủ yếu của khí sinh học. Hàm lượng mêtan trong
KSH phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và sự diễn biến của các quá trình
sinh học. Mêtan cháy tạo thành ngọn lửa màu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:
CH
4
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O + 882 KJ
Hỗn hợp mêtan và oxy có thể nổ cháy. Hỗn hợp nổ mạnh nhất khi tỷ lệ
oxy : mêtan là 2 : 1 theo thể tích vì ở tỉ lệ này tất cả lượng oxy và mêtan đều

tham gia phản ứng. Ta gọi nhiệt lượng do một mét khối khí khi cháy hết tỏa ra là
nhiệt trò của khí đó. Mêtan có nhiệt trò 35822 KJ/m
3
(8570 Kcal/ m
3
).
3.1.2. Cơ sở sinh học của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 18
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Lên men kỵ khí sinh mêtan là quá trình vi sinh vật học với sự tham gia của
hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc. Các vi sinh vật này tiến
hành hàng chục phản ứng hóa sinh học để phân hủy và biến đổi các hợp chất hữu
cơ phức tạp thành một loại khí cháy được gọi là khí sinh học.
3.1.2.1. Hóa sinh học của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan
Có thể chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn chính
như sau:
Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan
Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 19
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Vi sinh vật
Phân hủy chất béo

Vi sinh vật
Phân hủy xenluloza

Vi sinh vật
Phân hủy protein
Vi khuẩn
sinh axit

Vi khuẩn CH
4
+ CO
2
mêtan
(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)
Giai đoạn I: dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các
chất hữu cơ phức tạp như chất béo, các hydrat cacbon (chủ yếu là xenluloza và
tinh bột), protein bò phân hủy và biến thành các hợp chất hữu cơ đơn giản dễ tan
trong nước như đường đơn, petit, glyxerin, axit béo, axit amin,… (các chất tan). Có
thể nói giai đoạn I là quá trình hòa tan của các chất hữu cơ phức tạp trong nước
dưới tác dụng của các men do vi khuẩn tiết ra.
Giai đoạn II: cũng dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit các chất tan nói
trên sẽ biến thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axit
propionic, axit butyric, vv…) các aldehyt alcol và một ít khí cacbonic, hydro,
ammoniac, nitơ,… Nhờ các phản ứng phân hủy và các phản ứng oxy hóa – khử
xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ nên các quá trình xảy ra ở hai giai đoạn
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 20
H
y
d
r
a
t

c
a
c
b
o

n
C
h
a
á
t

b
e
ù
o
P
r
o
e
i
n
C
a
ù
c

c
h
a
á
t

t
a

n
C
a
ù
c

a
x
i
t

h
ư
õ
u

c
ơ
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
trên thực sự chỉ là sự sắp xếp lại các phân tử không có oxy tham gia, do đó nhu
cầu oxy sinh học (DO) gần như bằng không. Do sinh nhiều axit nên độ pH của
môi trường có thể giảm mạnh.
Giai đoạn III: là giai đoạn sinh mêtan. Đây là giai đoạn quan trọng nhất
của toàn bộ quá trình. Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan các axit hữu cơ và
các hợp chất đơn giản khác biến thành khí mêtan, cacbonic, hydro sunfua,…
Sự tạo thành khí mêtan có thể xảy ra theo hai cách sau đây:
- Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO
2
bò khử thành CH
4

, trong đó
chất cung cấp điện tử là H
2
và rượu.
- Axit hữu cơ biến thành CH
4
theo phản ứng:
CH
3
COOH → CH
4
+ CO
2

Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ biến thành CH
4
theo phản ứng:
R_COOH
 →
A
R
1
COOH
 →
B
CH
3
COOH
 →
B

CH
4
+ CO
2
A, B, C là các loại vi khuẩn khác nhau. Sau đây là các phản ứng hóa học
và các cơ chất mà vi khuẩn sử dụng để tạo khí mêtan.
Tên vi khuẩn Phản ứng
1. Methanobacterium sochngenii
Methanococus mazei
Methanosarcina barkeli
Methanosarcina methanica
2. Methanobacterium prepienicum
Methanococus mazei
Methanosarcina methanica
Methanobacterium suboxydans
CH
3
COOH → CH
4
+ CO
2
4CH
3
CH
2
COOH + 2H
2
O → 7CH
4
+

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

COOH
2CH
3
CH
2
OH → 3CH
4
+ CO
2
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 21
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
3. Methanobacterium omelianskii
4. Methanobacterium suboxydans
2CH
3
CH
2
OH + CO
2
→ CH
4
+
2CH
3
COOH
CH
3
COCH
3
+ H

2
O → 2CH
4
+ CO
2
Các vi khuẩn này hoạt động trong điều kiện hoàn toàn không có không khí,
rất mẫn cảm đối với mọi sự thay đổi của môi trường bao quanh, nhất là độ pH và
nhiệt độ. Điều kiện tối ưu cho chúng hoạt động là pH 7,2 – 7,5. Tuy sự tạo thành
mêtan có thể xảy ra theo các phản ứng nói trên, song thực tế 70% khí mêtan được
tạo thành từ axit axetic.
Sự phân chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn theo sơ
đồ nói trên thực ra chỉ mang tính chất lý thuyết. Thực tế trong bể tiêu hóa sản
xuất khí sinh học không bao giờ có sự phân chia dứt khoát như vậy. Toàn bộ các
quá trình hóa học của cả 3 giai đoạn hoạt động song song và đồng bộ với nhau:
sản phẩm sinh ra ở giai đoạn I sẽ được sử dụng hết ở giai đoạn II, tiếp đó toàn bộ
sản phẩm sinh ra ở giai đoạn II sẽ được vi khuẩn sinh mêtan sử dụng hết để tạo
thành khí sinh học. Cứ như thế “lò sinh khí” hoạt động như một xí nghiệp với dây
chuyền sản xuất đồng bộ. Sau khi toàn bộ hệ thống đạt được trạng thái cân bằng
(có nghóa là các khâu trong dây chuyền sản xuất ăn khớp nhau) thì pH của môi
trường sẽ trung tính. Nếu như vì lý do nào đó các dây chuyền không ăn khớp
nhau, tức khắc hệ thống mất cân bằng, sản phẩm cuối cùng là khí mêtan sẽ
không có. Ví dụ: khi axit sinh ra quá nhiều ở giai đoạn II, vi khuẩn sinh mêtan
không tiêu thụ kòp thì tức khắc pH giảm nhanh. Độ pH thấp sẽ ảnh hưởng mạnh
đến toàn bộ quá trình, đặc biệt là đến giai đoạn III, có thể làm tê liệt, thậm chí
làm hủy diệt tất cả các vi khuẩn.
Khi thừa NH
3
, pH môi trường đương nhiên tăng lên. Giới hạn nồng độ
amon cho pH 7 là 1500 – 3000 mg/l. Khi nồng độ đạm cao hơn 3000 mg/l thì bất
kỳ pH nào cũng không có lợi cho vi khuẩn. Tuy nhiên, trong thực tiễn ít gặp

trường hợp pH tăng quá cao.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 22
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
3.1.2.2. Vi sinh vật của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan
Nhiều loại vi khuẩn tham gia vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ
phức tạp có trong các phế liệu nông nghiệp, công nghiệp, chế biến nông sản và
dân dụng để tạo khí mêtan. Có thể chia thành hai nhóm chính: nhóm vi khuẩn
không sinh mêtan và nhóm vi khuẩn sinh mêtan.
 Nhóm vi khuẩn không sinh mêtan
Bằng những phương pháp được tiến hành trong điều kiện hoàn toàn kỵ khí
và phân lập bằng các môi trường thích hợp, đã phát hiện nhóm vi khuẩn kỵ khí
“khó tính nhất” thường chiếm ưu thế tuyệt đối (khoảng 5.10
8
tế bào/ml). Vi khuẩn
kỵ khí không bắt buộc chiếm không quá 10 triệu tế bào/1 ml.
Các vi khuẩn kỵ khí thường là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tử,
phân hủy Polysaccarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO
2
. Thành phần
loài phụ thuộc vào sự thay đổi của thành phần môi trường. Khi có mặt xenluloza
các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B.megarium, Pseudomonas,
Ps.riboflavina, Ps.reptilovora, Leptespira biflexa,… Các vi khuẩn này đã được
phân lập từ bể kỵ khí sinh mêtan.
Mặc dầu có khả năng tạo ra nhiều axit hữu cơ, các loại nấm bất toàn
không giữ vai trò gì quan trọng trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ
phức tạp.
Đến nay đã phân lập được từ bùn cống rãnh các loại vi khuẩn phân hủy
xenluloza, protein, lipit, amôn, khử sunfat và phản nitrat hóa.
+ Vi khuẩn phân hủy protein
Trong bùn cống rãnh vi khuẩn kỵ khí phân hủy protein chiếm tỷ lệ khá lớn:

6,5.10
7
tế bào/ml. Chúng gồm có Clostridium peptococcus, Bifidobacterium,
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 23
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Bacillus gram âm không sinh bào tử, Staphylococcus. Hoạt tính của men phân
hủy protein cũng đã được tiến hành khảo sát.
+ Vi khuẩn phân hủy lipit
Về sự phân rã axit palmitic đánh dấu trong bể tiêu hóa kỵ khí đã được phát
hiện, đó là β – oxy hóa. Nồng độ vi khuẩn dao động từ 2.10
4
đến 3,2.10
5
tế bào/g
chất tan dễ tiêu trong bùn cống.
+ Vi khuẩn khử sunfat
Đã phân lập được Desulfovibrio desulfuricans trong bùn cống với độ dao
động từ 3 đến 5.10
4
tế bào/ml.
+ Vi khuẩn phân hủy xenluloza
Vi khuẩn kỵ khí phân hủy xenluloza trong bùn được phát hiện với mật độ
0,8 – 2,0.10
4
tế bào/ml (có thể mật độ của chúng dao động từ 1,6.10
4
đến 9,5
5
.10
tế bào/ml). Đã phát hiện thấy trong dòch lên men kỵ khí các vi khuẩn sau:

Cerynobacterium, Lactobacillus, Bamibacterium, actynomyces và
Bifidobacterium. Gần 40% các chủng đã phân lập phân hủy trực tiếp hydrat
cacbon để tạo ra axit axetic, axit propionic và axit lactic.
 Nhóm vi khuẩn sinh mêtan
Là những vi khuẩn sống trong điều kiện kỵ khí tuyệt đối, vi khuẩn sinh
mêtan rất mẫn cảm với oxy, sinh trưởng và phát triển rất chậm. Năm 1940, vi
khuẩn sinh mêtan Methanobacterium omelianskii được phân lập, vi khuẩn này
khử CO
2
thành mêtan nhờ sử dụng H
2
và rượu là chất cho điện tử.
Chủng vi khuẩn sinh mêtan mà các axit bò chúng chuyển hóa được giới
thiệu ở bảng sau:
Bảng 5: Vi khuẩn sinh mêtan
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 24
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Bích
Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ
(
0
C)
Axit bò chuyển hóa
Methanobacterium
omelianskii
Meth. Propionicum
Meth. Fomicum
Meth. Sochngenii
Meth. Suboxydans
Meth. Ruminanticum
Methanococcus vanirielli

Methanococcus mazei
Methanosarcina methanica
Methanosacina barkerl
6,5 – 8
1,4 – 9,0
7,0
37 – 40
30 – 37
35 – 37
30
CO
2
, H
2
, rượu I và II
Axit propionic
CO
2
, H
2
, axit fomic
Axit axetic, butyric
Axit butyric, valeric,
caproic
H
2
, axit fomic
H
2
, axit fomic

Axit axetic, butyric
Axit axetic, butyric
CO
2
, H
2
, axit axetic,
methanol
Năm 1965, Smith đã phân lập thuần chủng được Methanobacterium,
Methancoccus và Methanosarcina từ bùn cống của thành phố, mật độ có từ 10
6
đến 10
7
tế bào/ml. Năm 1968, Siebert và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh
hưởng của thành phần môi trường đến thành phần loài của vi khuẩn sinh mêtan
và thấy số lượng dao động từ 10
8
đến 4,9.10
10
vi khuẩn /ml. Sử dụng môi trường
tổng hợp “G” với thành phần cơ chất dạng khí theo tỷ lệ H
2
: CO
2
là 80 : 20,
Hobson và Shaw đã khảo sát thành phần loài của vi khuẩn sinh mêtan trong bùn
lấy từ bể chứa phân lợn và thấy số lượng vi khuẩn dao động từ 10
5
đến 10
6

tế
bào/ml, trong đó chủ yếu là Methanobacterium formicum. Vi khuẩn này tạo khí
mêtan từ CO
2
+ H
2
và axit fomic.
SVTH: Phạm Thò Thanh Hằng 25