nghiên cứu quá trình vận hành và hiệu quả xử lý của hầm ủ biogas nạp bổ sung nguyên liệu rơm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH
VÀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HẦM Ủ BIOGAS
NẠP BỔ SUNG NGUYÊN LIỆU RƠM

Cán Bộ Hướng Dẫn
Ts. Nguyễn Võ Châu Ngân
Ks. Phan Trung Hiếu

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878
Nguyễn Cẩm Hồng
1110820

2015


Luận Văn Tốt Nghiệp

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································

··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································
··································································································································

Cần Thơ, ngày ...... tháng.....năm 2015
Cán bộ hướng dẫn

TS. Nguyễn Võ Châu Ngân

K.S Phan Trung Hiếu

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

i


Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này chúng tôi xin cảm ơn đến:

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ và anh chị em, những người đã
luôn động viên và lo lắng cho chúng tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ts. Nguyễn Võ Châu Ngân đã truyền
đạt những kinh nghiệm quý báu, những kiến thức chuyên môn cũng như đã tận tình
hướng dẫn cho chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường đã
tận tình giảng dạy những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian theo học
tại trường.
Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn Anh Phan Trung Hiếu học viên lớp cao học
Quản lý Môi Trường K20, Anh Huỳnh Văn Thảo, Chị Nguyễn Thị Thùy, Anh
Huỳnh Công Khánh, các em Nguyễn Công Lịnh, Trương Hoang Ân, Trần Bảo lớp
Kỹ Thuật Môi Trường K38 đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề
tài này.
Chúng tôi xin gởi lời tri ân đến Bác Nguyễn Văn Be, gia đình Anh Nguyễn Văn
Lanh đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ nhiệt tình để chúng tôi hoàn thành luận
văn này.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

ii


Luận Văn Tốt Nghiệp

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu quá trình vận hành và hiệu quả xử lý của hầm ủ biogas nạp
bổ sung nguyên liệu rơm” được thực hiện trong điều kiện thực tế, ứng dụng trên

hầm ủ TG-BP và hầm ủ EQ2, theo phương pháp ủ yếm khí bán liên tục với tỷ lệ
phối trộn 50% phân heo + 50% rơm. Đề tài được thực hiện nhằm khảo sát quá trình
vận hành của hai loại hầm ủ, từ đó đánh giá khả năng sinh khí và hiệu suất xử lý
chất thải của hai hầm ủ khi nạp bổ sung nguyên liệu rơm. Các hầm ủ được nạp và
theo dõi trong 90 ngày. Trong suốt thời gian này, các yếu tố môi trường như nhiệt
độ, độ pH đều nằm trong khoảng thích hợp cho quá trình ủ yếm khí. Sau 90 ngày
vận hành, thể tích khí tích dồn của hầm ủ TG-BP là 41.885 L, hầm ủ EQ2 là 32.566
L. Nồng độ khí methane của hầm ủ TG-BP và hầm ủ EQ2 lần lượt dao động trong
khoảng 50,6 - 55,4% và 51,2 - 57,6%. Thời gian vận hành của hầm ủ EQ2 đến lúc
nghẹt là 49 ngày, hầm TG-BP là 66 ngày do hầm ủ EQ2 có tay quay, sau một thời
gian tay quay này có thể làm vật cản khiến cho hầm nhanh bị nghẹt hơn. Kết quả
nghiên cứu tỷ lệ phối trộn 50% phân heo : 50% rơm nạp vào hầm ủ biogas thì cho
thấy rơm không thể làm nguyên liệu thay thế cho hầm ủ biogas.

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

iii


Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên
cứu của chúng tôi trong khuôn khổ dự án “Sản xuất Khí sinh học bền vững từ
rơm thải” do Trường Đại học Cần Thơ - Việt Nam và Trường Đại học Aarhus Đan Mạch thực hiện với sự tài trợ của DANIDA. Dự án có quyền sử dụng kết quả
của luận văn này để phục vụ cho các công bố của dự án.

Ngày.....tháng.....năm 2015

Ký tên

Nguyễn Lê Việt Trinh

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

Nguyễn Cẩm Hồng

iv


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỤC LỤC

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ........................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................iv
MỤC LỤC...............................................................................................................v
DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................ vii
DANH SÁCH BẢNG .......................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT....................................................................... ix
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ...........................................................................................1
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI...................................................................1
1.2 MỤC TIÊU ....................................................................................................2
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU...................................................................3
2.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ SINH HỌC...............................................................3
2.1.1 Khí sinh học ............................................................................................3

2.1.2 Thành phần khí sinh học..........................................................................3
2.1.3 Cơ chế và các giai đoạn của quá trình sinh khí sinh học ..........................4
2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH Ủ YẾM KHÍ ...................6
2.2.1 Các yếu tố hóa lý.....................................................................................6
2.2.2 Các yếu tố khác .......................................................................................9
2.3 NGUYÊN LIỆU NẠP..................................................................................10
2.3.1 Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật ..................................................11
2.3.2 Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật ...................................................14
2.4 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH KHÍ SINH HỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.....................................................................15
2.4.1 Các công trình khí sinh học được sử dụng trên thế giới .........................15
2.4.2 Các công trình khí sinh học được sử dụng ở Việt Nam ..........................17
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM ................................23
3.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM THÍ NGHIỆM ................................................23
3.1.1 Thời gian tiến hành thí nghiệm ..............................................................23
3.1.2 Địa điểm tiến hành thí nghiệm...............................................................23
3.2 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU..........................................................................23
3.2.1 Phân heo................................................................................................23
3.2.2 Rơm rạ ..................................................................................................23
3.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ......................................................................23
3.3.1 Hầm ủ EQ2 ...........................................................................................23
3.3.2 Hầm ủ TG-BP .......................................................................................23
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

v


Luận Văn Tốt Nghiệp
3.4 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH....................................................................24

3.4.1 Phương pháp thực hiện vận hành hầm ủ ................................................24
3.4.2 Phương pháp thí nghiệm nhu cầu dùng khí............................................24
3.4.3 Các chỉ tiêu theo dõi..............................................................................25
3.5 PHƯƠNG PHÁP THU VÀ PHÂN TÍCH MẪU...........................................25
3.5.1 Phương pháp thu và bảo quản mẫu ........................................................25
3.5.2 Phương pháp phân tích mẫu ..................................................................26
3.6 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU.................................27
3.6.1 Phương pháp tính toán số liệu ...............................................................27
3.6.2 Phương pháp xử lý số liệu .....................................................................28
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................29
4.1 CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG CỦA HẦM TRONG QUÁ TRÌNH THÍ
NGHIỆM ...........................................................................................................29
4.1.1 Độ pH ...................................................................................................29
4.1.2 Nhiệt độ ................................................................................................30
4.1.3 Độ kiềm ................................................................................................31
4.2 LƯỢNG KHÍ SINH HỌC SINH RA HÀNG NGÀY ...................................32
4.2.1 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và thể tích khí cộng dồn.........................32
4.2.2 Thành phần khí sinh ra trong quá trình ủ của hầm ủ TG-BP và hầm ủ
EQ2 ...............................................................................................................35
4.3 ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA ...................................37
4.3.1 Nồng độ COD .......................................................................................37
4.3.2 Nồng độ TKN........................................................................................39
4.3.3 Nồng độ Photpho...................................................................................41
4.3.4 Tổng Coliform.......................................................................................43
4.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG VẬN HÀNH CỦA HẦM Ủ TG-BP VÀ HẦM
EQ2 ...................................................................................................................45
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................47
5.1 KẾT LUẬN .................................................................................................47
5.2 KIẾN NGHỊ.................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................49

PHỤ LỤC..............................................................................................................53

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

vi


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí..............................................5
Hình 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ.........................7
Hình 2.3 Hầm ủ nắp vòm cố định Trung Quốc ......................................................16
Hình 2.4 Hầm ủ nắp trôi nổi kiểu KVIC................................................................16
Hình 2.5 Hầm ủ kiểu CT1 .....................................................................................17
Hình 2.6 Hầm ủ nắp vòm cố định kiểu TG-BP ......................................................18
Hình 2.7 Túi ủ PE .................................................................................................19
Hình 2.8 Hầm ủ EQ1 và EQ2 ................................................................................20
Hình 2.9 Túi ủ HDPE............................................................................................21
Hình 2.9 Hầm ủ composite....................................................................................22
Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm nhu cầu dùng khí.........................................................24
Hình 4.1 Diễn biến độ pH của hầm ủ TG-BP ........................................................29
Hình 4.2 Diễn biến độ pH của hầm ủ EQ2 ............................................................29
Hình 4.3 Diễn biến nhiệt độ của hầm ủ TG-BP và EQ2 .........................................31
Hình 4.4 Diễn biến nồng độ độ kiềm hầm TG-BP .................................................31
Hình 4.5 Diễn biến nồng độ độ kiềm hầm EQ2 .....................................................32
Hình 4.6 Diễn biến lượng khí sinh ra hàng ngày và thể tích khí cộng dồn của hầm ủ
TG-BP ...................................................................................................................33
Hình 4.7 Diễn biến lượng khí sinh ra hàng ngày và thể tích khí cộng dồn của hầm ủ

EQ2 .......................................................................................................................34
Hình 4.8 Thành phần khí sinh ra trong quá trình ủ của hầm ủ TG-BP....................36
Hình 4.9 Thành phần khí sinh ra trong quá trình ủ của hầm ủ EQ2........................36
Hình 4.10 Nồng độ COD đầu vào và đầu ra của hầm ủ TG-BP .............................38
Hình 4.11 Nồng độ COD đầu vào và đầu ra của hầm ủ EQ2..................................38
Hình 4.12 Hiệu suất xử lý nồng độ COD của hầm ủ TG-BP và EQ2 .....................39
Hình 4.13 Nồng độ TKN đầu vào và đầu ra của hầm ủ TG-BP..............................40
Hình 4.14 Nồng độ TKN đầu vào và đầu ra của hầm ủ EQ2..................................40
Hình 4.15 Hiệu suất xử lý nồng độ TKN của hầm ủ TG-BP và EQ2......................41
Hình 4.16 Nồng độ photpho đầu vào và đầu ra của hầm ủ TG-BP.........................42
Hình 4.17 Nồng độ photpho đầu vào và đầu ra của hầm ủ EQ2.............................42
Hình 4.18 Hiệu suất xử lý nồng độ photpho của hầm ủ TG-BP và EQ2.................43
Hình 4.19 Hàm lượng tổng Coliform đầu vào và đầu ra của hầm ủ TG-BP ...........44
Hình 4.20 Hàm lượng tổng Coliform đầu vào và đầu ra của hầm ủ EQ2 ...............44
Hình 4.21 Hiệu suất xử lý Coliform của hầm ủ TG-BP và EQ2.............................45

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

vii


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần tiêu biểu của các chất khí trong biogas ..................................3
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sản lượng khí...............................................6
Bảng 2.3 Tỷ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật..................8
Bảng 2.4 Thành phần %CH4 và sản lượng biogas một số nguyên liệu ...................11
Bảng 2.5 Lượng chất thải hàng ngày của động vật.................................................12

Bảng 2.6 Năng suất sinh khí biogas của một số loại phân động vật........................12
Bảng 2.7 Thành phần dưỡng chất trong phân heo tươi...........................................14
Bảng 2.8 Năng suất sinh khí biogas của một số loại thực vật .................................14
Bảng 3.1 Danh sách phương pháp và phương tiện phân tích..................................26
Bảng 3.2 Kết quả phân tích %DM và %ODM của từng nguyên liệu nạp ...............27
Bảng 3.3 Khối lượng nạp cho từng nguyên liệu trong hỗn hợp ủ. ..........................28
Bảng 4.1 Kết quả nhu cầu dùng khí của hộ dân sử dụng túi PE..............................35
Bảng 4.2 Nồng độ H2S trong quá trình vận hành từng hầm ủ.................................37
Bảng 4.3 Số ngày nạp được của từng hầm ủ ..........................................................45

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

viii


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

C/N

Tỷ lệ Carbon/Nitrogen

COD

Nhu cầu oxy hóa học (Chemical oxygen demand)

DM

Vật chất khô (Dry matter)

ĐBSCL

Đồng bằng Sông Cửu Long

ODM

Vật chất hữu cơ khô (Organic Dry Matter)

TKN

Tổng Nitrogen Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen)

VS

Chất rắn bay hơi (Volatile Solids)

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

ix


Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, ngành chăn nuôi đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển nền kinh tế ở
đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), đặc biệt là chăn nuôi heo. Tuy nhiên, các chất

thải trong quá trình chăn nuôi heo vẫn chưa được quan tâm đúng mức đã làm tăng
lượng chất thải vào môi trường. Nếu không được quản lý tốt thì các chất thải này sẽ
gây ô nhiễm môi trường, từ đó tác động và ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, sức
khỏe con người và sinh vật khác. Vì vậy, việc tìm kiếm một giải pháp tối ưu nhằm
giải quyết chất thải chăn nuôi đang là một vấn đề cấp thiết.
Bên cạnh đó, công nghệ khí sinh học đã được phát triển ở ĐBSCL từ những năm
1980 (Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012) và được biết đến như một biện pháp xử
lý tình trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi. Các kết quả nghiên cứu và áp
dụng hầm ủ biogas vào xử lý loại chất thải này ngày càng được khẳng định không
chỉ ở việc xử lý hiệu quả mà còn tạo ra lượng khí sinh học được sử dụng làm nguồn
năng lượng cho đun nấu, thắp sáng, chạy động cơ… giảm chi phí sử dụng các loại
nguyên liệu truyền thống khác như dầu hỏa, than… Ngoài ra, bã thải từ hầm ủ
biogas còn được khai thác làm nguồn phân bón tăng năng suất cây trồng, đưa vào
ao làm nguồn dưỡng chất để nuôi cá… Với những lợi ích trên, hầm ủ biogas đã và
đang được khuyến khích đầu tư xây dựng và phát triển. Tuy nhiên, việc áp dụng
rộng rãi các loại hầm ủ trong nông hộ không phải là việc dễ dàng. Có nhiều nguyên
nhân dẫn đến khó khăn trong việc triển khai hầm ủ biogas như nhận thức của người
dân về lợi ích của khí sinh học hiện vẫn chưa cao, chi phí xây dựng không phù hợp
so với mức sống của người dân nông thôn. Bên cạnh đó, nguyên liệu nạp chủ yếu
cho các hầm ủ biogas ở ĐBSCL là phân heo (Lê Hoàng Việt, 2005). Tuy nhiên, do
tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ và tình hình dịch bệnh diễn ra phức tạp nên mức độ duy
trì đàn heo không ổn định vì thế gây thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp dẫn đến khai
thác và hiệu quả sử dụng hầm ủ biogas chưa cao. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần tìm
được nguồn nguyên liệu mới, có sẵn để làm nguyên liệu nạp bổ sung khi thiếu hụt
về nguyên liệu nạp cho hầm ủ biogas.
ĐBSCL đã khẳng định vị trí thế mạnh về nông nghiệp so với các khu vực khác
trong cả nước, với diện tích trồng lúa chiếm hơn 4,3 triệu ha và sản lượng lúa
khoảng 25 triệu tấn (Tổng Cục Thống kê, 2013) dẫn đến sản lượng rơm rạ dư thừa
sau thu hoạch hàng năm là rất lớn (Nguyễn Bảo Vệ, 2011 trích dẫn từ Nguyễn Thị
Huỳnh Như, 2013). Hầu hết lượng rơm rạ này được người dân đốt bỏ ngay sau thu

hoạch trên đồng ruộng (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005). Việc đốt bỏ rơm rạ sẽ phát thải
nhiều khí thải có hại cho môi trường. Các khí thải này đã và đang góp phần gây nên
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

1


Luận Văn Tốt Nghiệp
hiệu ứng nhà kính và tình trạng biến đổi khí hậu hiện nay. Nhiều nghiên cứu đã
chứng minh rơm rạ sau thu hoạch có thể được sử dụng để sản xuất khí biogas
(Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012). Do đó, việc sử dụng nguồn rơm rạ dư thừa
này như là một nguồn nguyên liệu bổ sung cho hầm ủ biogas sẽ là một hướng
nghiên cứu khá triển vọng và khả thi.
Trong khuôn khổ dự án “Sản xuất Khí sinh học bền vững từ rơm thải” thực hiện tại
trường Đại học Cần Thơ do DANIDA tài trợ, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng rơm
để sản xuất khí sinh học. Từ nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm sản xuất khí
sinh học theo mẻ (Nguyễn Thị Thùy, 2013) và thí nghiệm ủ bán liên tục (Trương
Thanh Nguyên, 2014) đến ứng dụng trên các mô hình ngoài thực tế trên túi ủ PE
(Huỳnh Văn Thảo, 2014; Huỳnh Công Khánh, 2014) đã cho thấy rơm có thể là
nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas bên cạnh nguyên liệu nạp chính là phân
heo. Theo thông tin của Nguyen Vo Chau Ngan et al. (2012), ở ĐBSCL vẫn còn một
số loại hình hầm ủ biogas khác được người dân sử dụng phổ biến để xử lý chất thải
chăn nuôi, trong đó có các loại hầm xây kiểu TG-BP và kiểu EQ2. Kiểu hầm EQ2
trước đây được thiết kế để nạp phân heo kết hợp với lục bình, còn kiểu hầm TG-BP
vẫn chưa được kiểm chứng về khả năng nạp phối trộn với thực vật.
Chính vì những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu quá trình vận hành và hiệu quả
xử lý của hầm ủ biogas nạp bổ sung nguyên liệu rơm” được thực hiện nhằm đánh
giá thực tế quá trình vận hành và hiệu quả xử lý của kiểu hầm ủ EQ2 và hầm ủ
TG-BP với nguyên liệu nạp là phân heo có phối trộn rơm tại quy mô nông hộ.

1.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu chung: cải thiện khả năng khai thác vận hành hầm ủ biogas, tận dụng
nguồn rơm thải làm nguyên liệu nạp cho hầm ủ hạn chế ô nhiễm môi trường.
Mục tiêu cụ thể:
- Khảo sát quá trình vận hành hầm ủ EQ2 và hầm ủ TG-BP với nguyên liệu nạp
là rơm kết hợp phân heo.
- Khảo sát khả năng sinh khí của các hầm ủ biogas khi nạp bổ sung nguyên liệu
rơm.
- Đánh giá hiệu suất xử lý chất thải của hầm ủ EQ2 và hầm ủ TG-BP trong
trường hợp ủ phối trộn.

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

2


Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ SINH HỌC
2.1.1 Khí sinh học
Quá trình phân hủy sinh học là quá trình mà các chất hữu cơ (cơ thể và chất thải của
động vật, thực vật) bị thối rữa do tác động của các sinh vật nhỏ bé mà mắt thường
không nhìn thấy được gọi là các vi sinh vật. Đây là một quá trình rất phức tạp và có
yêu cầu các điều kiện môi trường nhất định, cũng như là các quần thể vi sinh vật
khác nhau (Nguyễn Duy Thiện, 2010).
Quá trình phân hủy xảy ra trong môi trường không có oxy được gọi là quá trình
phân hủy yếm khí. Sản phẩm khí thu được gọi là khí sinh học (biogas). Khí sinh học
là một hỗn hợp của nhiều chất khí, với tỷ lệ và thành phần của các chất khí có trong

hỗn hợp tùy thuộc vào loại nguyên liệu và các điều kiện của quá trình phân hủy như
nhiệt độ, pH, hàm lượng nước… Nó cũng tùy thuộc cả vào các giai đoạn diễn biến
của quá trình phân hủy sinh học (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng,
2010).
2.1.2 Thành phần khí sinh học
Thành phần của biogas gồm CH4, CO2, N2, H2, H2S và các khí khác, chủ yếu là khí
methane và khí carbonic.
Bảng 2.1 Thành phần tiêu biểu của các chất khí trong biogas
Khí thành phần

Giá trị

Methane (CH4)

55 - 70%

Carbon dioxide (CO2)

30 - 45%

Nitrogen (N2)

0 - 3%

Hydrogen (H2)

0 - 1%

Hydrogen sulphide (H2S)

200 - 4000 ppm (theo thể tích)
20 - 25 MJ/m3 chuẩn

Năng lượng

(Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013)

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

3


Luận Văn Tốt Nghiệp
2.1.3 Cơ chế và các giai đoạn của quá trình sinh khí sinh học
a. Cơ chế của quá trình sinh khí sinh học
Theo Lê Hoàng Việt (2005) các hệ thống xử lý yếm 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 enzyme hay chất xúc tác. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa
chúng bằng phương trình sau đây:
lên men

Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S
yếm khí

Quá trình phát triển của vi khuẩn yếm khí: theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị

Thùy Dương (2003), các vi sinh vật hấp thu các dưỡng chất trong môi trường để tăng
trưởng và phát triển. Vì vậy, sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật là sự tăng trưởng về
số lượng của các cấu tử trong tế bào, gia tăng kích thước và trọng lượng của tế bào.
Đến cuối giai đoạn tăng trưởng thì tế bào phân cắt ra thành tế bào con. Quá trình sinh
học xảy ra trong lên men methane là quá trình phát triển các vi sinh vật yếm khí và
chuyển hóa các chất hữu cơ thành chất khí, trong đó methane chiếm tỷ trọng lớn nhất.
b. Các phản ứng sinh hóa.
Quá trình sinh khí sinh học được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: giai đoạn phân
hủy các chất hữu cơ cao phân tử (thủy phân và lên men), giai đoạn tạo nên các acid
hữu cơ trong đó chủ yếu là acid acetic, và giai đoạn sinh khí methane.
Các giai đoạn của quá trình sinh khí sinh học
Giai đoạn 1: Giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử (thủy phân và lên men)
Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin và
một vài chất loại này ở dạng không hòa tan sẽ bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào
(sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử
nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2.
Các phản ứng thủy phân của giai đoạn này biến đổi các protein thành các aminoacid,
carbohydrate thành các đường đơn, chất béo thành các acid béo chuỗi dài. Tuy
nhiên, quá trình phân hủy yếm khí bị giới hạn bởi các chất cellulose, lignin do rất
khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản. 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, do đó tốc độ hoạt
động của vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ quyết định hiệu quả tổng thể của quá trình.
Trường hợp chất hữu cơ đầu vào dễ phân hủy thì tốc độ hoạt động của vi khuẩn giai
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

4


Luận Văn Tốt Nghiệp

đoạn 3 (vi khuẩn methane) sẽ quyết định hiệu quả tổng thể của quá trình. Tốc độ
thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố
môi trường như là pH và nhiệt độ.
Chất hữu cơ

Protein

Amino A-xít

Vi khuẩn
A-môn

Đường đơn

Carbohydrate

CO2

A-xít béo
bay hơi

Acetate

CH4

H2
A-xít béo

Chất béo

CO2

Thủy phân & lên men

Sinh a-xít & H2

Sinh CH4

Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí
(Mc. Carty, 1981)
Giai đoạn 2: Giai đoạn tạo acid hữu cơ
Các chất hữu cơ đơn giản được tạo thành từ giai đoạn 1 sẽ được chuyển hóa thành
acid acetate, H2, và CO2 bởi nhóm vi khuẩn Acedogenic. Tỷ lệ của các sản phẩm phụ
thuộc vào hệ vi sinh vật trong hầm ủ và các điều kiện môi trường.
Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh khí methane
Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển đổi thành CH4 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 1 và giai đoạn 2. Các vi
khuẩn methane sử dụng acid acetate, methanol, CO2 và H2 để sản xuất methane
trong đó acid acetate là nguyên liệu chính với từ 70% methane được sản sinh ra từ
nó. Phần methane còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít được sinh ra từ acid
formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít
trong quá trình lên men yếm khí.
Các phản ứng có thể được biểu diễn qua các phương trình sau:
Nguyên liệu



CO2 + H2 + acetate

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

5


Luận Văn Tốt Nghiệp
Nguyên liệu



CH3COO- + H2O

propionate + butyrate + ethanol
 CH4 + HCO3- + năng lượng

4H2 + HCO3- + H +



CH4 + 3H2O + năng lượng

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH Ủ YẾM KHÍ
2.2.1 Các yếu tố hóa lý
a. Nhiệt độ
Hoạt động của vi khuẩn methane chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường.
Thông thường các hệ thống phân hủy yếm khí được vận hành ở 02 biên độ nhiệt sau
đây (Monnet, 2003):
- 20 - 45oC, tiêu biểu là 35oC, đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh
vật ưa ấm;

-

50 - 65oC, tiêu biểu là 55oC, nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.

Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 - 40oC.
(Nguyễn Quang Khải, 2002). Người ta đã xác định được mức sản xuất khí của một
tấn phân ở điều kiện nhiệt độ khác nhau như sau:
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sản lượng khí
Nhiệt độ (oC)

Sản lượng khí
(m3/ngày)

Thời gian kéo dài
(tháng)

15

0,015

12

20

0,3

6

25

0,6

3

30

1

2

35

2

1

(Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997)
Nói chung, khi nhiệt độ tăng, tốc độ sinh khí tăng, nhưng ở nhiệt độ trong khoảng
40 - 45oC thì tốc độ sinh khí giảm, vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả
hai loại vi khuẩn Mesophiles (ưa ấm) và Thermophiles (ưa nhiệt), nhiệt độ trên 60oC
tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt
độ 65oC trở lên. Ở nhiệt độ < 10oC hầu như hệ thống không sinh ra khí biogas (Lê
Hoàng Việt, 2013). Nhiệt độ vận hành tối ưu cho một hệ thống có thể biến thiên
theo thành phần nguyên liệu nạp, loại hầm ủ, tuy nhiên tất cả hệ thống yếm khí đều
cần duy trì nhiệt độ ổn định để đạt hiệu quả sản xuất biogas ổn định.
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

6

Năng suất khí

Luận Văn Tốt Nghiệp

Nhiệt độ

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Gốc Price and Cheremisinoff, 1981; trích lại từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu
Ngân, 2014)
b. Ẩm độ
Khống chế độ ẩm của nguyên liệu để kích thích vi sinh vật hoạt động, độ ẩm cao
hơn 96% thì tốc độ phân hủy các chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít, nhưng
độ ẩm dưới 20% cũng sẽ cản trở quá trình phát triển của vi sinh vật. Độ ẩm thích
hợp nhất cho hoạt động của vi sinh vật là 91,5-96%. Độ ẩm trung bình thích hợp
của nguyên liệu là 60%.
c. Độ pH
pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ hoạt động của hệ vi sinh vật
trong hầm ủ. Theo Monnet (2003) trích dẫn từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu
Ngân (2014) cho rằng pH của hỗn hợp nguyên liệu nạp cho hệ thống từ 6 - 7 sẽ tạo
môi trường tốt cho quá trình phân hủy yếm khí và quá trình lên men sinh khí
methane diễn ra ổn định khi pH nằm trong khoảng 7,2 - 8,2. pH nhỏ hơn 6,4 có
nghĩa là acid nhẹ được tạo nên vượt quá khả năng sử dụng của vi khuẩn sinh
methane, pH tiếp tục giảm sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của loại vi
khuẩn này. Nguyên nhân thừa acid có thể do:
-

Tốc độ bổ sung nguyên liệu mới quá nhanh;

-

Nhiệt độ bao quanh dao động mạnh;

-

Độc tố tích lũy ảnh hưởng mạnh đến hoạt động của vi khuẩn sinh methane;

-

Bề mặt của dung dịch được lên men bị một lớp váng dày bao phủ.

Có thể điều chỉnh pH cho thích hợp bằng cách giảm tốc độ bổ sung nguyên liệu, tìm
cách ổn định nhiệt độ môi trường bao quanh, thêm vôi hoặc NH4 hoặc phá tan lớp
váng (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

7


Luận Văn Tốt Nghiệp
d. Độ kiềm
Độ kiềm (alkalinity) là khả năng đệm acid của một dung dịch, tính theo đơn vị mg
CaCO3/L. Trong hệ thống nên giữ độ kiềm ở mức thích hợp để tạo khả năng đệm tốt
cho nguyên liệu nạp, giúp cho hệ thống duy trì được khoảng pH thích hợp khi hệ
thống bị nạp quá tải trong một giai đoạn ngắn. Theo một số tác giả, các hệ thống phân
hủy yếm khí cần alkalinity khoảng 4.000 mg/L khi nồng độ CO2 là 50 - 53%, và
alkalinity nên được duy trì ở khoảng 1.500 - 5.000 mg/L (Lê Hoàng Việt và Nguyễn
Hữu Chiếm, 2013).
e. Tỷ số C/N

Các chất hữu cơ gồm có các nguyên tố hóa học, trong đó chủ yếu là carbon (C),
hydro (H), nitrogen (N), photpho (P) và lưu huỳnh (S). Theo nhiều nhà nghiên cứu
hai nguyên tố quan trọng nhất cho quá trình phân hủy yếm khí là carbon và nitrogen.
Hai nguyên tố này phải hiện diện ở một tỷ lệ nhất định thì quá trình phân hủy yếm
khí mới diễn ra tốt, tỷ lệ này gọi là tỷ số C/N. Theo RISE-AT (1998) và Monnet
(2003) trích dẫn từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) tỷ số C/N tối
ưu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 40/1.
Bảng 2.3 Tỷ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật
Nguyên liệu
Chất cặn hầm cầu

C/N
10/1 - 60/1

Nước tiểu

0,8/1

Phân bò, heo

18/1

Phân gà

15/1

Phân ngựa

25/1

Bùn thải tươi

11/1

Bùn hoạt tính

6/1

Phân trâu

15/1

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
Nếu tỷ lệ C/N quá cao (có nghĩa là lượng N ít) thì vi khuẩn sẽ nhanh chóng sử dụng
hết lượng N và quá trình lên men yếm khí bị dừng lại do N trở thành yếu tố giới hạn
quá trình tăng trưởng của vi sinh vật trong hệ thống. Nếu tỷ lệ C/N quá thấp (có
nghĩa là lượng N cao) thì N sẽ được phóng thích từ các hợp chất hữu cơ và tích luỹ
trong hệ thống dưới dạng a-môn, làm tăng pH của hệ thống và có khi tăng lên hơn
8,5 làm ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn methane.
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

8


Luận Văn Tốt Nghiệp
Vi khuẩn tiêu thụ carbon nhiều hơn nitrogen 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên
liệu bằng 30 là tối ưu. Nhìn chung phân trâu, bò, heo có tỷ lệ C/N thích hợp. Phân
người và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật thường có tỷ lệ
C/N cao. Nguyên liệu càng già thì tỷ lệ này càng cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích

hợp, ta nên dùng hỗn hợp các nguyên liệu, chẳng hạn dùng phân người và phân gia
cầm kết hợp với rơm rạ (Nguyễn Quang Khải, 2002).
f. Khuấy trộn
Khuấy trộn thường xuyên chất lỏng trong hầm để đảm bảo sự tiếp xúc giữa các vi
khuẩn sinh khí methane và chất thải lên men, giúp sinh khí tối đa. Khi các hầm
không được khuấy trộn, chất thải lên men hình thành 3 lớp. Lớp trên cùng là váng
với 1 lượng vật liệu thải còn tươi, rất ít vi khuẩn cả về số lượng và loại vi khuẩn,
lớp này còn sinh ra nhiều loại acid. Lớp giữa là vật liệu lên men đơn thuần chứa rất
nhiều chất thải rắn và cũng ít vi khuẩn. Lớp dưới đáy là lớp lắng đọng và bã có
nhiều loại vi khuẩn, nhưng vật liệu tươi ít, vì nó chịu áp lực tĩnh cao, khí sản xuất ra
bị phân tán trong dịch thể lên men, không giải phóng dễ dàng. Điều này gây cản trở
cho việc sản xuất khí với sản lượng cao. Các chất lắng đọng được khuấy từ đáy hầm
lên, nồng độ và nhiệt độ trở nên đều đặn, các vi khuẩn sinh khí methane sản ra
nhanh chóng và tăng sự tiếp xúc rộng lớn hơn giữa các vi khuẩn với các vật liệu lên
men, đẩy nhanh sự lên men các vật liệu thải (Nguyễn Duy Thiện, 2010).
Theo RISE-AT (1998) và Monnet (2003) trích dẫn từ Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ
Châu Ngân (2014) chỉ nên khuấy trộn vừa đủ, việc khuấy trộn quá mức cũng gây
ảnh hưởng xấu đến hệ vi sinh trong hầm ủ. Khi sử dụng nhiều loại nguyên liệu khác
nhau để nạp cho hệ thống nên trộn đều chúng tạo một hỗn hợp tương đối đồng nhất
trước khi đưa vào hệ thống để làm giảm nhu cầu khuấy trộn.
2.2.2 Các yếu tố khác
a. Phối trộn
Đối với nguyên liệu nạp là rơm có hàm lượng carbon khá cao, lượng dinh dưỡng
thấp dẫn đến C/N cao, điều này gây bất lợi cho quá trình phân hủy, phối trộn giữa
rơm và phân heo sẽ giúp cải thiện được hiệu quả sinh khí methane (Trần Sỹ Nam et
al, 2013). Việc phối trộn nguyên liệu rơm với phân heo sẽ cho khả năng sinh khí tốt
hơn việc ủ một loại nguyên liệu phân heo đơn thuần. Kết quả nghiên cứu của Võ
Thị Vịnh (2013) cho thấy phối trộn 50% rơm : 50% phân heo cho năng suất sinh khí
tính trên lượng nguyên liệu bị phân hủy là tốt nhất.
b. Tỷ lệ nạp

Lượng nguyên liệu nạp được tính toán dựa trên cơ sở ODM (khối lượng vật chất
hữu cơ theo trọng lượng khô) hay VS (khối lượng chất rắn bay hơi). Theo Lê Hoàng
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

9


Luận Văn Tốt Nghiệp
Việt và Nguyễn Hữu Chiếm (2013) tỷ lệ nạp cho các hệ thống không có giá bám
cho vi khuẩn là 1 - 4 kg VS/(m3*ngày), tỷ lệ nạp phổ biến từ 2 - 3 kg VS/(m3*ngày),
đối với nguyên liệu nạp là thực vật lượng nguyên liệu nạp từ 0,64 - 1,6 kg
VS/(m3*ngày) (Appels et al., 2008). Hàm lượng chất rắn bên trong hỗn hợp ủ chiếm
từ 5 - 10% (Rajendran et al., 2012), nồng độ chất rắn tăng hơn 19% sẽ làm giảm
quá trình sinh khí methane.
c. Thời gian lưu
Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong bể phân hủy của hầm ủ. Trong thời
gian này nguyên liệu bị phân hủy yếm khí sinh ra biogas. Thời gian lưu cũng giữ
một vai trò quan trọng đối với quá trình lên men sản xuất methane sinh học. Tuy
nhiên chúng phụ thuộc rất mạnh vào chất lượng nguyên liệu. Trong thực tế, thời
gian lưu giữ nằm trong giới hạn 30 - 60 ngày. Trong trường hợp lên men liên tục
hoặc bán liên tục với tốc độ bổ sung nguyên liệu cao thì thời gian lưu giữ sẽ ngắn
nhưng tốc độ sản xuất khí giảm (Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
Đối với chế độ nạp theo mẻ, thời gian lưu là thời gian từ lúc nạp tới lúc lấy nguyên
liệu ra. Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được đẩy dần tới lối ra vì bị nguyên
liệu mới bổ sung chiếm chỗ. Đối với thiết bị KSH hoạt động liên tục, thời gian lưu
càng lớn thì khí thu được từ một lượng nguyên liệu nhất định càng nhiều. Song như
vậy thiết bị phải có thể tích phân hủy lớn và vốn đầu tư xây dựng cao. Do vậy người
ta chọn thời gian lưu sao cho trong thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất. Thời
gian lưu được chọn căn cứ vào thời tiết của địa phương và loại nguyên liệu nạp

(Nguyễn Quang Khải, 2002).
d. Tiền xử lý
Rơm bao gồm các polymer carbohydrate, cellulose và hemicellulose được bảo vệ
bởi lớp lignin dày đặc chống lại sự thủy phân của enzyme. Vì vậy cần thiết phải có
một bước tiền xử lý phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình
thủy phân của enzym được dễ dàng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của
cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose và phá vỡ lignin.
Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzym để chuyển đổi polymer
carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn và với sản lượng lớn
hơn. Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa
chúng (Mosier et al., 2005 trích dẫn bởi Parameswaran Binod et al., 2010).
Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Huỳnh Như (2013), rơm được tiền xử lý bằng
nước thải sau túi ủ biogas cho tổng lượng khí tích dồn cao nhất.
2.3 NGUYÊN LIỆU NẠP
Nguyên liệu sử dụng để ủ khí sinh học đa dạng, thường là tận dụng phân người,
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

10


Luận Văn Tốt Nghiệp
phân gia súc, bùn, phế phẩm trong nông nghiệp (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu
Chiếm, 2013). Theo Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng (2010) nguyên liệu
sản xuất khí sinh học có nguồn gốc từ động vật và chất hữu cơ như phân động vật
(gia súc, gia cầm) và phân người; nguồn gốc từ các loại thực vật gồm phụ phẩm cây
trồng như bèo, cỏ, rơm rạ, thân lá ngô, khoai đậu… Mặt khác, theo Ngô Kế Sương
và Nguyễn Lân Dũng (1997) phế thải trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, trong
công nghiệp chế biến nông lâm sản (bã rượu, bia, nước thải các xí nghiệp giấy…)
và sinh hoạt gia đình có nguồn gốc sinh học giàu cellulose đều có thể sử dụng là

nguyên liệu sản xuất khí sinh học.
Lượng khí thu được phụ thuộc vào khả năng phân hủy các vật chất hữu cơ có trong
nguyên liệu (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
Bảng 2.4 Thành phần %CH4 và sản lượng biogas một số nguyên liệu
CH4 (%)

Thời lượng lên men
(ngày)

Sản lượng khí
(m3/kg/chất khô)

Phân bò

58

10

0,33

Phân trâu

57

10

0,86 - 1,11

Phân heo

58 - 60

10 – 15

0,69 - 0,79

Phân gà

60

30

0,31 - 0,54

Lá củ cải đường

-

14

0,5

Phân hầm cầu

-

21

0,38

Tảo

-

11 - 20

0,38

58

10

0,23 - 0,5

Loại nguyên liệu

Phân gia súc khác

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
2.3.1 Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật
Theo Nguyễn Quang Khải (2009), Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng
(2010) nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật bao gồm chất thải (gồm phân và nước
tiểu) của người, gia súc, gia cầm, các bộ phận cơ thể của động vật, xác động vật, rác
và nước thải của các cơ sở giết mổ gia súc, cơ sở chế biến thủy hải sản. Các loại
phân đã được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên dễ phân hủy và nhanh
chóng tạo thành biogas. Thời gian phân hủy khoảng 2 - 3 tháng và tổng sản lượng
khí thu được từ 1 kg phân không nhiều.
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

11


Luận Văn Tốt Nghiệp
Sản lượng và đặc tính của chất thải vật nuôi phụ thuộc vào loại và độ tuổi của vật
nuôi, khẩu phần thức ăn, chế độ nuôi (Nguyễn Quang Khải, 2009). Lượng chất thải
của động vật được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2.5 Lượng chất thải hàng ngày của động vật
Động vật

Lượng chất thải hàng ngày (kg/ngày/cá thể)
Phân

Nước tiểu

Bò

10 – 20

6 – 10

Trâu

18 – 25

8 – 12

Dê/Cừu

1,5 - 2,5

0,6 - 1,0

Heo

1,2 - 3,0

4–6

0,02 - 0,05

0

0,2 - 0,4

0,3 - 1,0

Gia cầm
Người

(Nguyễn Quang Khải, 2009)
Năng suất sinh khí biogas của một số loại động vật và thành phần %CH4 được thể
hiện qua bảng sau:
Bảng 2.6 Năng suất sinh khí biogas của một số loại phân động vật
Lượng biogas (m3/kg chất khô)

% CH4

0,33

58

Trâu

0,86 - 1,11

57

Gà

0,31 - 0,54

60

Heo

0,69 - 0,76

58 - 60

Cừu

0,37 - 0,61

64

Gia súc khác

0,23 - 0,5

58

Phân động vật
Bò

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
* Phân heo
Phân heo là chất thải của heo sau quá trình tiêu hóa thức ăn. Trong phân heo thường
chứa 94 - 97% nước. Nói chung phân heo được xếp vào loại phân lỏng hoặc hơi
lỏng (N.K. Patni và R.G. Kinsman, 1997).
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

12


Luận Văn Tốt Nghiệp
Phân là chất liệu từ trong nước uống mà cơ thể gia súc không sử dụng hay không
tiêu hóa được và thải ra ngoài cơ thể. Phân gồm những thành phần:
- Những dưỡng chất không tiêu hóa được hoặc những dưỡng chất thoát khỏi sự tiêu
hóa vi sinh hay các men tiêu hóa (chất xơ, protein không tiêu hóa được, acid amin
thoát khỏi sự hấp thu) được thải qua nước tiểu: acid uric (ở gia cầm), urea (ở gia súc),
các khoáng chất dư thừa cơ thể không sử dụng như: P2O2, K2O, CaO, MgO… phần
lớn xuất hiện trong phân;
-

Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa (tryspin, pepsin…);

-

Các mô tróc ra từ niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài;

-

Vật chất dính vào thức ăn: bụi, tro…;

-

Các loại vi sinh bị nhiễm trong thức ăn, ruột bị tống ra ngoài.

Lượng phân thải ra một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi, khẩu phần thức ăn
và thể trọng. Ngoài ra, lượng phân cũng thay đổi theo những chất kết hợp với nước
tiểu, chất lót chuồng. Theo Lochr (1984) trích từ Trần Đỗ Ái Nhi (2005) ước tính
lượng phân heo mỗi ngày là 6 - 8% thể trọng.
Lượng phân trung bình của heo trong 24 giờ:
-

Heo < 10 kg: 0,5 - 1,0 kg phân nguyên và trong 0,3 - 0,7 kg nước tiểu;

-

Heo 15 - 45 kg: 1,0 - 3,0 kg phân nguyên và 0,7 - 2,0 kg nước tiểu;

-

Heo 45 - 100 kg: 3,0 - 5,0 kg phân nguyên và 2,0 - 4,0 kg nước tiểu;

- Heo nuôi ở chuồng không có chất lót chuồng, với 1000 kg thể trọng có thể cho
lượng phân là 16 tấn/năm.
Thành phần dưỡng chất của phân heo là 0,5% nitrogen và 0,3% photphat. Thành

phần này thay đổi theo lượng dưỡng chất của thức ăn và nước uống; thay đổi theo
nhu cầu của cá thể, nếu nhu cầu của cá thể cao thì sử dụng dưỡng chất nhiều, phân
sẽ ít và ngược lại; thay đổi theo có lót chuồng hay không.

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

13


Luận Văn Tốt Nghiệp
Bảng 2.7 Thành phần dưỡng chất trong phân heo tươi
Thành phần

Phân heo tươi (không có nước tiểu và chất độn)

Nước (%)

82

Chất hữu cơ (%)

16

N (%)

0,6

P2O5 (%)

0,5

K2O (%)

0,4

CaO (%)

0,05

MgO (%)

0,02

Cl (%)

0,01
(Suzuki Tatsushiko,1968 trích từ Trần Đỗ Ái Nhi, 2005)

2.3.2 Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật
Là các loại nguyên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, thân lá ngô, khoai,
đậu và các loại thực vật thủy sinh như bèo, lục bình, các cây cỏ sống ở dưới nước có
thể sử dụng làm nguyên liệu nạp cho thiết bị biogas (Nguyễn Quang Khải, 2009).
Các nguyên liệu thực vật có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy. Để cho quá trình này
được thuận lợi, những nguyên liệu thực vật cần được xử lý sơ bộ trước khi nạp vào.
Thường thì người ta cắt nhỏ ra, đập dập hay ủ yếm khí trước để phá vỡ lớp vỏ cứng
của nguyên liệu và tăng diện tích bề mặt cho vi khuẩn tấn công.
Thời gian phân hủy của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với các loại phân
(có thể kéo dài hàng năm) nên có thể nạp nguyên liệu thực vật theo từng mẻ nhỏ,
mỗi mẻ kéo dài từ 3 - 6 tháng. Dùng nguyên liệu thực vật không những cho sản

phẩm là khí biogas mà còn cung cấp bã đặc làm phân bón rất tốt cho cây trồng
(Nguyễn Quang Khải, 2009).
Bảng 2.8 Năng suất sinh khí biogas của một số loại thực vật
Loại thực vật

Hàm lượng chất khô
(%)

Năng suất sinh biogas
(L/kg nguyên liệu tươi/ngày)

Bèo tây tươi

4–6

0,3 - 0,5

Rơm, rạ khô

80 – 85

1,4 - 2,0
(Nguyễn Quang Khải, 2009)

SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

14

Luận Văn Tốt Nghiệp
* Giới thiệu về rơm
Rơm là phần còn lại của cây lúa sau khi thu hoạch đã được phơi khô, là nguyên liệu
hữu cơ có sẵn với khối lượng lớn, đặc biệt là vùng trồng lúa như ĐBSCL lượng rơm
rạ rất lớn. Rơm thường được sử dụng làm thức ăn cho gia súc như trâu, bò, ngựa, dê
cừu đặc biệt vào mùa rét, thiếu thức ăn tươi cho động vật. Thông thường rơm rạ
được lấy từ nguồn các giống lúa khác nhau.
Rơm rạ là nguồn hữu cơ lớn, chúng chiếm đến 50% trọng lượng của cây lúa. Theo
ngân hàng kiến thức của Viện Nghiên cứu lúa Thế Giới (IRRI, trích dẫn của Nguyễn
Tuấn Thanh, Phan Thành Thái, 2012), rơm rạ có một số đặc tính sau: năng suất rơm
dao động từ 2 tấn/ha đến hơn 8 tấn/ha tùy thuộc vào giống lúa, năng suất lúa và
phương pháp thu hoạch (cắt gần gốc sẽ cho nhiều rơm hơn). Tổng lượng rơm sau
thu hoạch có tỷ lệ tương ứng với năng suất lúa. Tỷ lệ rơm lúa thường trong khoảng
0,8 : 1 - 1,2 : 1. Chiều dài của cọng rơm dao động từ 30 - 120 cm tùy thuộc vào
giống lúa, phương pháp thu hoạch (Ngô Thị Thanh Trúc, 2005).
Theo Hills và Roberts (1981) rơm rạ là một lignocellulose có chứa cellulose
(37,4%), hcmi-cellulose (44,9%), lignin (4,9%) và tro silicon (13,1%).
Thành phần hóa học của rơm rạ nếu tính theo nguyên tố thì carbon chiếm 44%,
hydro 5%, oxygen 49%, N 0,92%, một lượng rất nhỏ photpho, lưu huỳnh và kali
(Nguyễn Lân Dũng, 2011).
2.4 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH KHÍ SINH HỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
2.4.1 Các công trình khí sinh học được sử dụng trên thế giới
a. Hầm ủ kiểu Trung Quốc
Loại hầm ủ nắp vòm cố định được nghiên cứu và sử dụng nhiều ở Trung Quốc để
xử lý nước thải trong quá trình nuôi heo. Hầm có cấu tạo là hình bán cầu, được chôn
hoàn toàn dưới đất để tiết kiệm diện tích và ổn định nhiệt độ. Loại hầm này có 02
phần, phần chứa khí nằm phía trên và phần ủ phân nằm bên dưới. Do đó, thể tích
của hầm ủ bằng tổng thể tích của 2 phần này. Phần chứa khí được tô bằng nhiều lớp
vữa để bảo đảm yêu cầu kín khí. Ở phía trên phần chứa khí có một nắp đậy được

hàn kín bằng đất sét, phần nắp này có hình vòm nên gọi là nắp vòm giúp cho thao
tác làm sạch hầm ủ khi các chất rắn lắng nhiều trong hầm. Hầm ủ này có nhược
điểm là phần chứa khí rất khó xây dựng để bảo đảm độ kín khí, do đó hiệu suất của
hầm ủ thấp.
Ở các nước nhiệt đới, năng suất khí của các hầm ủ này đạt được từ 0,3 - 0,4 m3/ (m3
hầm ủ*ngày) (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014).
SVTH: Nguyễn Cẩm Hồng 1110820
Nguyễn Lê Việt Trinh 1110878

15