Nghiên cứu sản xuất khí sinh học từ rơm và lục bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC
TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TNTN

TRẦN SỸ NAM

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC
TỪ RƠM VÀ LỤC BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGs. Ts. NGUYỄN HỮU CHIẾM
Prof. Dr. KJELD INGVORSEN

2016


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin được chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến người
hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Chiếm - Khoa Môi
Trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ; Tiến sĩ Kjeld
Ingvorsen – Trường Đại học Aarhus – Đan Mạch đã tận tình hướng dẫn, động
viên và góp ý về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án
tiến sĩ.
Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả quí thầy cô đã giảng
dạy, hướng dẫn học thuật cho tôi trong suốt quá trình học tập ở bậc đại học, bậc
cao học và nghiên cứu sinh.

Chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô Khoa Môi trường và Tài nguyên
Thiên nhiên, cùng tất cả các thầy cô trường Đại học Cần Thơ đã cung cấp kiến
thức chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học
tập và thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Khoa học Môi trường đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận án tiến sĩ. Xin chân thành
cảm ơn tất cả các bạn sinh viên, học viên đã hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực
hiện các nghiên cứu.

Cảm ơn cha mẹ, gia đình đã hết lòng thương yêu và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính của dự án SubProM – tài trợ bởi
tổ chức DANIDA – Đan Mạch để tôi có thể hoàn thành tốt luận án tiến sĩ.

Trần Sỹ Nam

i


TÓM LƯỢC

Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng rơm phát sinh hàng năm ở ĐBSCL
hàng năm là rất lớn, trong khi lượng rơm này không được sử dụng có hiệu quả
mà chủ yếu được đốt bỏ. Việc này gây lãng phí nguồn sinh khối dồi dào từ nông
nghiệp và phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, NOx vào bầu khí quyển. Bên
cạnh đó, lục bình sinh trưởng tốt ở thủy vực ao nuôi cá, kênh dẫn nước và
mương vườn. Lục bình là một nguồn sinh khối dồi dào với sự gia tăng trọng
lượng vật chất khô của LB sau 6 tuần ở kênh dẫn nước, ao nuôi cá và mương
vườn lần lượt là 634, 804 và 603 gDM/m2. Nếu sử dụng lục bình để sản xuất khí
sinh học thì với mức tăng trưởng trong nghiên cứu này thì từ 62 – 156 m 2 lục
bình có thể cung cấp 300 – 500 L biogas.ngày-1. Kết quả nghiên cứu về ảnh
hưởng của các phương pháp tiền xử lý rơm và lục bình cho thấy tiền xử lý bằng
nước thải sau biogas và bùn đáy ao là hai phương pháp có thể được ứng dụng
trong tiền xử lý trước khi nạp vào túi ủ/hầm ủ. Rơm và lục bình với các kích cỡ
từ không cắt đến 1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu.
Phối trộn rơm và phân heo với tỷ lệ 50% cho năng suất sinh khí mê-tan cao hơn
các tỷ lệ phối trộn khác. Trong khi đó đối với lục bình thì tỷ lệ phối trộn này là
từ 40% đến 60%.
Nghiên cứu trên mô hình ủ yếm khí bán liên tục cho thấy không có sự tích
lũy các a-xít béo bay hơi (VFAs), thành phần của các VFAs là a-xít acetic,
propionic, butyric, succinic, acrylic, fumaric, formic, malic, glucose và ethanol
trong đó thành phần chính của các VFAs là a-xít acetic, propionic, butyric. Vai
trò của khuấy trộn nguyên liệu chỉ thể hiện rõ khi lượng nguyên liệu nạp trong
bình ủ tăng, khuấy trộn làm gia tăng lượng khí tích dồn nhưng lượng tăng không
lớn. Không có sự khác biệt về năng suất sinh khí giữa các nghiệm thức có và

không có khuấy trộn khi sử dụng rơm và phân heo làm nguyên liệu nạp nhưng
khác biệt rõ ở các nghiệm thức sử dụng lục bình làm nguyên liệu nạp. Nghiên
cứu ứng dụng trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) cho thấy có thể sử dụng rơm
và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô
nông hộ mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi
so với túi ủ truyền thống nạp hoàn toàn bằng phân heo. Tỷ lệ nạp 100% rơm và
100% lục bình cho thấy túi ủ chỉ có thể tiếp nhận nguyên liệu nạp trong thời
gian ngắn, túi mau đầy, khối lượng nạp không cao, nguyên liệu dễ bị nổi. Ngoài
ra, pH giảm thấp, sự tích lũy VFAs cao cũng là một trong các hạn chế ảnh
hưởng đến thời gian vận hành, khả năng sinh khí của các túi ủ này.

Nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu bổ
sung cho hầm ủ khí sinh học là một giải pháp giúp duy trì ổn định quá trình sinh
khí của mô hình trong trường hợp thiếu hụt nguồn nguyên liệu nạp, đồng thời
nâng cao hiệu suất sinh khí. Cần nghiên cứu cải tiến túi ủ biogas cho phù hợp
với nguyên liệu nạp là rơm và lục bình, khắc phục hiện tượng vật liệu bị nổi
trong túi ủ.
Từ khóa: ủ yếm khí, khí sinh học, rơm, lục bình, a-xít béo bay hơi, túi ủ PE
ii


ABSTRACT

The results showed the estimated quantity of rice straw in the Mekong
Delta annually was very large; however, the rice straw was not use effectively
and most of them were burned directly on the fields. This action caused wasting
the abundant agricultural biomass and emitted large amount of CO 2, CO, NOx
into the atmosphere. On the other hand, water hyacinth grows well in fish pond,
small irrigation canals or irrigation ponds. Water hyacinth is a potential
biomass with the increasing dried weight after 6 weeks was 634, 804 and 603

gDM/m2in fish ponds, small irrigation canals or irrigation ponds, respectively.
In case, using water hyacinth for biogas production, the increasing of water
hyacinth from 62 – 156 m2 can produce 300 – 500 L biogas.day-1. The results
showed that pre-treated rice straw and water hyacinth by dark anoxic sediment
and biogas digester effluent was the methods that can be apply before loading
into the digesters. Rice straw and water hyacinth in size from 1cm to un-cut not
strongly affected on biogas production. Mixing 50% of rice straw with pig
manure resulted in higher methane yield in comparison with other ratio, while
the ratio for water hyacinth ranged from 40% to 60%.
The semi-continuous anaerobic co-digestion experiment showed that the
volatile fatty acids (VFAs) were not cumulated during the fermentation process,
the components of VFAs were acetic acid, propionic acid, butyric acid, succinic
acid, acrylic acid, fumaric acid, formic acid, malic acid; whereas acetic acid,
propionic acid and butyric acid were the main component. The role of mixing
was clearly express when the reactors content high concentration of substrate,
mixing increased just a litter of the cumulative biogas. While the biogas yields of
rice straw reactors were not significant difference, the water hyacinth reactors
were significant difference between mixing and non-mixings. The experiment
which was carried out in polyethylene (PE) digesters proved that pig manure
could be replaced by rice straw and water hyacinth in the level of 50% (base on
VS) in case of lacking input substrates; and there was no significant different with
biogas production of pig manure. The results showed that 100%RS and
100%WH digesters had loaded in short time and low loading capacity, substrate
floating. In addition, pH drop and cumulative VFAs were one of the factors that
influence operation time and biogas production of these digesters.
The study proved that rice straw and water hyacinth can be used as the
supplementing substrate for biogas production as a solution that can help
stabilizing biogas production in case of lacking input substrates and enhance
biogas yield. It is highly recommended that research on improving the digester
comply with rice straw and water hyacinth, reducing floating into the digesters.

Keywords: anaerobic digestion, biogas, rice straw, water hyacinth, volatile fatty
acids, PE digester

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết luận án này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên
cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận
án cùng cấp nào khác.
Cần Thơ, ngày tháng năm 20
Nghiên cứu sinh

Trần Sỹ Nam

iv


MỤC LỤC

Nội dung

Trang

Tóm lược ................................................................................................................ ii
Abstract ................................................................................................................. iii

Chương 1: Giới thiệu ..............................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................... 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát ...................................................................... 2
1.2.2 Mục tiêu cụ thể ........................................................................... 2
1.3 Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 3
1.4 Giới hạn của đề tài ............................................................................ 3
1.5 Ý nghĩa của luận án........................................................................... 3
1.5.1 Về khoa học ................................................................................ 3
1.5.2 Về thực tiễn ................................................................................ 4
1.6 Những luận điểm khoa học mới của luận án ..................................... 4
Chương 2: Tổng quan về nghiên cứu .....................................................................5
2.1 Tổng quan về khí sinh học ................................................................ 5
2.1.1 Khái niệm ................................................................................... 5
2.1.2 Thành phần khí sinh học ............................................................. 5
2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí ................................................... 6
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan ........................ 9
2.2.1 Nhiệt độ ...................................................................................... 9
2.2.2 Ẩm độ ....................................................................................... 10
2.2.3 Kích cỡ nguyên liệu ủ yếm khí ................................................. 11
2.2.4 Khuấy trộn ................................................................................ 12
2.2.5 Thế oxy hóa khử ....................................................................... 12
2.2.6 pH ............................................................................................. 13
2.2.7 Hàm lượng các a-xít béo bay hơi .............................................. 14
2.2.8 Độ kiềm .................................................................................... 15
2.2.9 Độ mặn ..................................................................................... 15
2.2.10 Ammonia ................................................................................ 15
2.2.11 Tỷ lệ cacbon và nitơ ................................................................ 16
2.2.12 Mật độ vi sinh vật ................................................................... 16
2.2.13 Tỷ lệ nạp ................................................................................. 17
2.2.14 Thời gian lưu .......................................................................... 17
2.2.15 Tiền xử lý nguyên liệu nạp...................................................... 18
2.2.16 Điều kiện tối ưu và một số chất gây trở ngại ........................... 19

v


2.3 Các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình ủ yếm khí ................ 20
2.3.1 Nguyên liệu từ chất thải chăn nuôi............................................ 20
2.3.2 Nguyên liệu từ phụ phẩm trong nông nghiệp ............................ 22
2.4 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ các phụ phẩm nông nghiệp ........ 23
2.4.1 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ rơm ..................................... 23
2.4.2 Tiềm năng sản xuất khí mê-tan từ lục bình ............................... 26
2.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước .............................. 28
2.5.1 Tổng quan nghiên cứu về tiền xử lý nguyên liệu trong ủ yếm khí
........................................................................................................... 29
Thảo luận chung: .................................................................................. 31
2.5.2 Tổng quan nghiên cứu về ảnh hưởng của kích cỡ nguyên liệu trong
ủ yếm khí ........................................................................................... 32
Thảo luận chung: .................................................................................. 32
2.5.3 Tổng quan nghiên cứu về phối trộn nguyên liệu trong ủ yếm khí
........................................................................................................... 33
Thảo luận chung: .................................................................................. 36

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu....................................................................37
3.1 Cơ sở lý thuyết ................................................................................ 37
3.2 Khảo sát lượng dư thừa rơm và các biện pháp xử lý rơm phổ biến ở
đồng bằng sông Cửu Long .................................................................... 38
3.2.1 Phương pháp nghiên cứu .......................................................... 38
3.2.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 40
3.3 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau ........ 41
3.3.1 Phương pháp nghiên cứu .......................................................... 41
3.3.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 42
3.4 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý và kích cỡ của rơm

và lục bình lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí sinh học bằng phương
pháp ủ theo mẻ ...................................................................................... 43
3.4.1 Cơ sở lý thuyết .......................................................................... 43
3.4.2 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 44
3.4.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 45
3.4.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 48
3.5 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của phân heo, rơm và lục bình
lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas trong thí nghiệm ủ
biogas theo mẻ ...................................................................................... 49
3.5.1 Cơ sở lý thuyết .......................................................................... 49
3.5.2 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 50
3.5.3 Nước thải biogas ....................................................................... 50
vi


3.5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 50
3.5.5 Các thông số theo dõi................................................................ 51
3.5.6 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 51
3.6 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí
nghiệm ủ theo phương pháp bán liên tục .............................................. 52
3.6.1 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 52
3.6.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 53
3.6.3 Các chỉ tiêu theo dõi ................................................................. 54
3.6.4 Các phương pháp tính toán và xử lý số liệu .............................. 54
3.7 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên
tục - ứng dụng trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ....... 54
3.7.1 Vật liệu nghiên cứu ................................................................... 54
3.7.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .................................................. 55
3.7.3 Các chỉ tiêu theo dõi ................................................................. 56
3.7.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu ..................................... 57

3.8 Phương pháp phân tích mẫu ............................................................ 57

Chương 4: Kết quả và thảo luận ...........................................................................58
4.1 Ước tính lượng rơm dư thừa và một số biện pháp xử lý rơm ở đồng
bằng sông Cửu Long ............................................................................. 58
4.1.1 Các hình thức xử lý rơm phổ biến ở đồng bằng sông Cửu Long58
4.1.2 Khuynh hướng xử lý rơm của người dân ở đồng bằng sông Cửu
Long .................................................................................................. 59
4.1.3 Ước tính lượng rơm phát sinh sau thu hoạch ............................ 61
4.1.4 Uớc tính lượng khí nhà kính phát thải khi đốt rơm ................... 62
Thảo luận chung: .................................................................................. 64
4.2 Khảo sát sự phát triển của lục bình ở các thủy vực khác nhau ........ 64
4.2.1 Đặc điểm môi trường nước trong các thủy vực ......................... 64
4.2.2 Sự tăng trưởng của lục bình ở các loại hình thủy vực khác nhau
........................................................................................................... 65
4.2.3 Tiềm năng sử dụng lục bình để sản xuất khí sinh học ............... 70
Thảo luận chung: .................................................................................. 70
4.3 Xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học và kích thước
vật liệu rơm và lục bình lên hiệu suất sinh khí biogas và chất lượng biogas
trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ ........................................................ 71
4.3.1 Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh học ...................... 71
4.3.2 Ảnh hưởng của kích cỡ rơm và lục bình đến khả năng sinh khí sinh
học ..................................................................................................... 84
Thảo luận chung: .................................................................................. 92
vii


4.4 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn của rơm, lục bình và phân heo
lên hiệu suất sinh khí biogas trong thí nghiệm ủ biogas theo mẻ .......... 93
4.4.1 Các yếu tố môi trường trong mẻ ủ ............................................ 93

4.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn rơm và phân heo lên thể tích khí
sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí tích dồn .................................. 97
4.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lục bình và phân heo lên thể tích khí
sinh ra hàng ngày và tổng thể tích khí mê-tan tích dồn .................... 100
4.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên nồng độ khí mê-tan ............ 102
4.4.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn lên năng suất khí mê-tan .......... 104
4.4.6 Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ 106
Thảo luận chung: ................................................................................ 107
4.5 Đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm và lục bình trong thí
nghiệm ủ yếm khí bán liên tục ............................................................ 108
4.5.1 Giá trị pH trong quá trình ủ ..................................................... 108
4.5.2 Nồng độ các a-xít béo bay hơi ................................................ 108
4.5.3 Thành phần các a-xít béo bay hơi trong hỗn hợp ủ ................. 109
4.5.4 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng thể tích mê-tan tích dồn của
các nghiệm thức rơm ....................................................................... 111
4.5.5 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng mê-tan tích dồn của
các nghiệm thức lục bình ................................................................. 112
4.5.6 Nồng độ khí CH4 của các nghiệm thức ................................... 113
4.5.7 Năng suất sinh khí mê-tan ....................................................... 115
Thảo luận chung: ................................................................................ 117
4.6 Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên
tục – thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene với quy mô nông hộ . 118
4.6.1 Thời gian vận hành túi ủ ......................................................... 118
4.6.2 Thể tích khí sinh ra hàng ngày và tổng lượng khí mê-tan tích dồn
......................................................................................................... 118
4.6.3 Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức ..................... 121
4.6.4 Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức .............................. 121
4.6.5 pH và tổng hàm lượng các a-xít béo bay hơi (VFAs) .............. 122
Thảo luận chung: ................................................................................ 124

Chương 5: Kết luận và kiến nghị ...................................................................... 125
5.1 Kết luận ..................................................................................... 125
5.2 Kiến nghị ...................................................................................... 126

Tài liệu tham khảo.............................................................................................. 127
viii


Hình

DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình

Trang

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học......................................7

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học ..........................9
Hình 2.3: Sự phân lớp trong dịch ủ yếm khí ........................................................12

Hình 2.4: Sơ đồ tiền xử lý sinh khối ligniocellulosic ...........................................18

Hình 3.1: Bản đồ vùng nghiên cứu của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long......39
Hình 3.2: Mô hình ủ yếm khí theo mẻ .................................................................46

Hình 3.3 Mô hình ủ yếm khí bán liên tục không khuấy (a) và khuấy trộn (b) ....53
Hình 3.4 Mô hình ủ yếm khí ứng dụng thực tế trên túi ủ PE...............................56

Hình 4.1: Sự tăng trưởng chiều dài thân của lục bình trên các loại hình thủy vực
...............................................................................................................................66

Hình 4.2: Sự tăng trưởng chiều dài rễ của lục bình trên các loại hình thủy vực..66
Hình 4.3: Sự tăng trưởng số lượng lá của lục bình trên các loại hình thủy vực ..67
Hình 4.4: Sự tăng trưởng số chồi của lục bình trên các loại hình thủy vực .........68

Hình 4.5: Sự tăng trưởng trọng lượng tươi của lục bình trên các loại hình thủy
vực .........................................................................................................................68
Hình 4.6: Sự tăng trưởng trọng lượng khô của lục bình trên các loại hình thủy
vực .........................................................................................................................69
Hình 4.7: Thời gian nhân đôi của lục bình trên các loại hình thủy vực ...............69
Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học ................72
rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................72

Hình 4.9: Diễn biến pH của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học .......................72
rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................72

Hình 4.10: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học
rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................73
Hình 4.11: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức tiền xử lý sinh học .............74
rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................74

Hình 4.12: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức tiền xử lý sinh
học rơm sau 60 ngày .............................................................................................75
Hình 4.13: Lượng khí sinh học hàng ngày của các nghiệm thức tiền xử lý rơm 76

Hình 4.14: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn sau 60 ngày của các nghiệm thức tiền
xử lý sinh học lục bình ..........................................................................................77
ix


Hình 4.15: Lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức.............78

tiền xử lý lục bình..................................................................................................78

Hình 4.16: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức tiền xử lý .........................79
rơm (a) và lục bình (b) ..........................................................................................79

Hình 4.17: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b)......................81
ở các phương pháp tiền xử lý khác nhau ..............................................................81

Hình 4.18: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra sau 60 ngày ủ
...............................................................................................................................84
Hình 4.19: Diễn biến nhiệt độ của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ......85
với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................85

Hình 4.20: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ..............85
với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................85

Hình 4.21: Diễn biến thế oxy hóa khử của các nghiệm thức rơm (a) và .............86
lục bình (b) với các kích cỡ khác nhau .................................................................86

Hình 4.22: Diễn biến độ kiềm của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ......86
với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................86

Hình 4.23: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của rơm ở các kích cỡ ........87
khác nhau trong 60 ngày .......................................................................................87

Hình 4.24: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức kích cỡ rơm..88
Hình 4.25: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các kích cỡ lục bình.....89
Hình 4.26: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các kích cỡ lục bình khác
nhau .......................................................................................................................89

Hình 4.27: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức kích cỡ rơm .....................91
và lục bình khác nhau ...........................................................................................91

Hình 4.28: Năng suất sinh khí mê-tan của rơm (a) và lục bình (b)......................92
với các kích cỡ khác nhau .....................................................................................92

Hình 4.29: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các...................97
nghiệm thức phối trộn rơm với phân heo trong 60 ngày .....................................97
Hình 4.30: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức phối trộn rơm
với phân heo trong 60 ngày ..................................................................................99

Hình 4.31: Diễn biến lượng khí sinh học sinh ra hàng ngày của các................ 101
nghiệm thức tỷ lệ lục bình phối trộn với phân heo............................................ 101

Hình 4.32: Tổng lượng khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ lục bình ........... 102
x


phối trộn với phân heo ....................................................................................... 102
Hình 4.33: Nồng độ khí mê-tan của các nghiệm thức rơm phối trộn phân heo
(a) và lục bình phối trộn phân heo (b) ............................................................ 103

Hình 4.34: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức tỷ lệ phối trộn ..... 105
rơm (a), lục bình (b) với phân heo ..................................................................... 105

Hình 4.35: Hàm lượng tổng đạm, tổng lân, COD đầu vào và đầu ra mẻ ủ của các
tỷ lệ rơm, lục bình phối trộn với phân heo ........................................................ 107
Hình 4.36: Diễn biến pH của các nghiệm thức rơm (a) và lục bình (b) ........... 108
Hình 4.37: Nồng độ VFAs tromg mẻ ủ bán liên tục sử dụng rơm (a) và lục bình
(b) ....................................................................................................................... 109

Hình 4.38: Diễn biến nồng độ các a-xít béo bay hơi của các nghiệp thức ....... 110
nạp rơm (a) và nạp lục bình (b) ......................................................................... 110

Hình 4.39: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp
rơm ..................................................................................................................... 111

Hình 4.40: Tổng thể tích khí mê-tan của các nghiệm thức nạp rơm ................ 112
Hình 4.41: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức nạp lục
bình ..................................................................................................................... 113

Hình 4.42: Tổng thể tích khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức nạp lục bình
............................................................................................................................ 113
Hình 4.43: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng rơm ......... 114
làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 114

Hình 4.44: Thành phần khí sinh học của các nghiệm thức sử dụng lục bình ... 115
làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 115

Hình 4.45: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng rơm ....... 116
làm nguyên liệu nạp ........................................................................................... 116

Hình 4.46: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức sử dụng lục bình làm
nguyên liệu nạp .................................................................................................. 117
Hình 4.47: Thể tích khí sinh học sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức ....... 119
Hình 4.48: Tổng lượng khí mê-tan tích dồn của các nghiệm thức ................... 120
Hình 4.49: Năng suất sinh khí mê-tan của các nghiệm thức ............................ 121
Hình 4.50: Thành phần khí biogas của các nghiệm thức .................................. 122

Hình 4.51: Diễn biến pH của các túi ủ ở đầu vào (A) và đầu ra (B)................. 123

Hình 4.52: Diễn biến hàm lượng VFAs của các túi ủ ....................................... 123
xi


Bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau .....6
Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men
yếm khí ...................................................................................................................7
Bảng 2.3: Khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của một số vi khuẩn sinh
khí mê-tan .............................................................................................................10

Bảng 2.4: Tỷ lệ C/N của các nguyên liệu nạp được tập hợp từ các nguồn khác
nhau .......................................................................................................................16

Bảng 2.5: Các yếu tố môi trường tối ưu cho quá trình sinh khí mê-tan ........19

Bảng 2.6: Nồng độ gây ức chế của các chất lên quá trình sinh khí mê-tan ..20
Bảng 2.7: Thành phần hóa học của một số loại chất thải chăn nuôi khác nhau
...............................................................................................................................21

Bảng 2.8: Năng suất sinh khí của một số nguồn chất thải khác nhau ...........21
Bảng 2.9: Khả năng sinh khí của hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực
vật với chất thải từ các hoạt động chăn nuôi ....................................................22

Bảng 2.10: Năng suất sinh khí từ một số sinh khối thực vật ..........................22
Bảng 2.11: Một số đặc điểm hóa học của rơm .................................................24
Bảng 2.12: Tính chất hóa học của rơm (tính trên trọng lượng khô) của 53
giống lúa khác nhau ............................................................................................25

Bảng 2.13 : Sản lượng khí mê-tan của các nguồn chất thải rắn hữu cơ .......26
Bảng 2.14: Thành phần hóa học của lục bình ..................................................27

Bảng 2.15: Tính chất hóa học của lục bình từ các nguồn khác nhau ............27

Bảng 2.16: Tổng hợp các báo cáo về sản lượng khí biogas từ lục bình ........28
Bảng 3.1: Đặc điểm các loại hình thủy vực khác nhau ...................................41

Bảng 3.2: Phương pháp chuẩn bị các vật liệu nghiên cứu ..............................44

Bảng 3.3: Đặc tính hóa học của nguyên liệu nạp trong thí nghiệm ủ theo mẻ..45
Bảng 3.4: Các phương pháp chuẩn bị các loại nước tiền xử lý rơm và lục bình45
Bảng 3.5: Tính chất hóa học các loại nước sử dụng để tiền xử lý vật liệu .......46

Bảng 3.6: Lượng nguyên liệu nạp và tỷ lệ phối trộn của các nghiệm thức ..47

Bảng 3.7: Lượng nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn và kích cỡ vật liệu nạp ...48
Bảng 3.8: Đặc tính hóa học của rơm, lục bình và phân heo sử dụng trong thí
nghiệm ..................................................................................................................50
xii


Bảng 3.9: Các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân heo theo các tỷ
lệ khác nhau .........................................................................................................51

Bảng 3.10: Đặc điểm hóa học của nguyên liệu nạp – ủ yếm khí bán liên tục...52
Bảng 3.11: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi......................52
Bảng 3.12: Các nghiệm thức phối trộn rơm, lục bình với phân heo trong mẻ
ủ bán liên tục ........................................................................................................53

Bảng 3.13: Thành phần hóa học của nguyên liệu ............................................55
Bảng 3.14: Đặc tính hóa lý của nước thải biogas và nước mồi sử dụng trong
thí nghiệm túi ủ PE trong điều kiện nông hộ....................................................55
Bảng 3.15: Các nghiệm thức bố trí thí nghiệm ứng dụng thử nghiệm trên túi
ủ PE trong điều kiện nông hộ .............................................................................56

Bảng 3.16: Phương pháp phân tích và các thiết bị chính được sử dụng .......57
Bảng 4.1: Các hình thức xử lý rơm phổ biến qua các mùa vụ .......................58

Bảng 4.2: Tỉ lệ hộ dân sử đốt rơm trên đồng ruộng sau thu hoạch ................59
Bảng 4.3: Xu hướng xử lý rơm trong những năm tiếp theo ...........................60
Bảng 4.4: Tỉ lệ rơm: lúa vụ Thu Đông và vụ Đông Xuân ..............................61

Bảng 4.5: Sản lượng lúa và ước tính lượng rơm phát sinh .............................62
Bảng 4.6: Lượng rơm đốt ngoài đồng của các tỉnh và ĐBSCL .....................63
Bảng 4.7: Lượng phát thải khí nhà kính sau khi đốt rơm của các tỉnh và
ĐBSCL .................................................................................................................63
Bảng 4.8 Đặc điểm lý – hóa học môi trường sống của lục bình ở các thủy vực
khác nhau..............................................................................................................65
Bảng 4.9: Mật độ vi sinh vật của mẻ ủ với các loại vật liệu và phương pháp
tiền xử lý sau 60 ngày ủ ......................................................................................82

Bảng 4.10: Nhiệt độ trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn
với phân heo .........................................................................................................93
Bảng 4.11: Giá trị pH trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn

với phân heo .........................................................................................................94
Bảng 4.12: Thế oxy hóa khử trung bình của các nghiệm thức rơm, lục bình
phối trộn với phân heo ........................................................................................95

Bảng 4.13: Độ kiềm của các nghiệm thức rơm, lục bình phối trộn với phân
heo .........................................................................................................................96

Bảng 4.14: Khả năng vận hành của túi ủ biogas với các nguyên liệu nạp khác
nhau .................................................................................................................... 118
xiii


Từ viết tắt
C/N

COD

ĐBSCL
ĐBSH
DM

HRT
KSH

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tiếng Anh

Diễn giải các từ viết tắt

Carbon/Nitrogen

Chemical oxygen demand

Tỷ số cacbon trên nitơ

Nhu cầu oxy hóa học

Đồng bằng sông Cửu Long

Đồng bằng sông Hồng

Dry matter

Hydraulic retention time

KT

Vật chất khô

Thời gian lưu thủy lực
Khí sinh học

Khuấy trộn

LB

Lục bình

NDF

Hàm lượng chất xơ

LIG

OLR
OM
PH

Hàm lượng lignin

Organic loading rate

Lượng nguyên liệu nạp hữu cơ

Organic matter

Chất hữu cơ

Phân heo

QCVN
RO

SRT

Quy chuẩn Việt Nam
Rơm

Solid retention time

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen

TS

Total solids

TP

VFAS
VS

VSV

Thời gian lưu chất rắn

Tổng nitơ Kjeldahl

Total phosphorus

Tổng lân

Volatile fatty acids

Các a-xít béo bay hơi

Tổng hàm lượng chất rắn

Volatile solids

Chất rắn bay hơi
Vi sinh vật

xiv


1.1 Đặt vấn đề

Chương 1: GIỚI THIỆU

Ngày nay, thế giới ngày càng phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa
thạch như xăng, dầu, gas, than đá. Quá trình đốt cháy nguồn nhiên liệu này gây
phát thải một lượng lớn các khí nhà kính và là nguyên nhân gây nên tình trạng
biến đổi khí hậu ngày nay (Lương Duy Thành và ctv., 2015). Vì vậy, các nước
trên thế giới ngày càng chú trọng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như
điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối. Ở Việt Nam, nguồn năng lượng tái tạo
như khí sinh học ngày càng được nhiều người dân sử dụng do giá thành thấp và
phù hợp với nông hộ (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012). Tuy nhiên,
trong các giai đoạn tái đàn hoặc dịch bệnh xuất hiện thì sự thiếu hụt của phân
gia súc là một trong những hạn chế chính của việc phát triển khí sinh học ở đồng
bằng sông Cửu Long.
Trong khi đó, rơm và lục bình là hai nguồn sinh khối phổ biến và có tiềm
năng trong sản xuất năng lượng tái tạo. Rơm được xem là một chất thải nông
nghiệp chủ yếu ở châu Á với sản lượng ước tính khoảng 667 triệu tấn/năm
(Yoswathana et al., 2010). Hiện nay, hầu hết các nguồn sinh khối này không
được sử dụng và tái sử dụng một cách bền vững. Ở một số khu vực, phần lớn
rơm được loại bỏ khỏi đồng ruộng bằng cách cày vùi, đốt hoặc được sử dụng để
ủ phân (He et al., 2008; Wati et al., 2007; Vlasenko et al., 1997) – Đây là một
sự lãng phí nguồn hữu cơ rất lớn. Đốt rơm trên đồng ruộng là nguồn gây ô nhiễm

không khí và chỉ tái cung cấp rất ít các chất dinh dưỡng cho đất, nhưng cũng có
thể có hại bằng cách thúc đẩy rửa trôi các chất dinh dưỡng vô cơ quan trọng từ
đất (Nguyễn Thành Hối, 2008). Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và đồng bằng
sông Cửu Long (ĐBSCL) là hai vùng sản xuất lương thực quan trọng của Việt
Nam. Trong tổng số 44,1 triệu tấn lúa, hai khu vực này chiếm tới 71,9% (56,7%
từ ĐBSCL và 15,2% từ ĐBSH) (Tổng cục Thống kê, 2014). Tương ứng với
diện tích canh tác lúa thì lượng rơm thải bỏ hoặc đốt hàng năm ở đồng bằng
sông Cửu Long là rất lớn. Bên cạnh rơm, lục bình (LB) được biết đến như là
một trong những loài thực vật phát triển nhanh nhất và đã trở thành một trong
các loài gây nhiều vấn đề nhất trên thế giới (Gunnarsson and Petersen, 2007). Ở
các vùng nhiệt đới, lục bình phát triển dày đặc trên sông, hồ và các kênh rạch;
gây hại đời sống thủy sinh, cản trở giao thông đường thủy và nuôi trồng thủy
sản (Trần Trung Tính và ctv., 2009). Ở ĐBSCL, lục bình là một loài ngoại lai
có hại và ít có giá trị sử dụng. Tuy nhiên, lục bình có hàm lượng lignin thấp và
có hàm lượng cao các cacbon hydrate - đây là một lợi thế cho ủ yếm khí để sản
xuất khí sinh học. Nhiều nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã cho
thấy rơm và lục bình có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh
1


học (Chanakya et al., 1992; Nguyễn Văn Thu, 2010; Nguyễn Võ Châu Ngân và
ctv., 2012; Njogu et al., 2015).

Trong ủ yếm khí các chất thải hữu cơ, tỷ lệ C/N của nguyên liệu là một
yếu tố rất quan trọng. Rơm có tỷ lệ C/N dao động trong khoảng 40,5 – 67,3
(Nuntiya et al., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010; Ngan et al., 2015), lục bình có
tỷ lệ C/N từ 21,4 – 35 (Moorhead and Nordstedt, 1993; Ofoefule et al.,2009;
Nguyễn Trần Tuấn và ctv., 2009; Nguyễn Văn Thu, 2010) và phân heo từ 11,322,0 (Huang et al., 2004; Hoàng Thị Thái Hòa và Đỗ Đình Thục, 2010; Nguyễn
Võ Châu Ngân và ctv., 2011). Nhiều nghiên cứu về ủ yếm khí cho rằng tỷ lệ
C/N thích hợp là từ 20 – 30 (Kwietniewska and Tys, 2014; Deublein and

Steinhauser, 2008; Weiland and Hassan, 2001). Vì vậy, phối trộn các chất thải
hữu cơ khác nhau nhằm có tỷ lệ C/N phù hợp là rất cần thiết. Sự bổ sung rơm
và lục bình để cải thiện hiệu suất tạo khí sinh học là một giải pháp ở điều kiện
ĐBSCL khi thiếu hụt nguồn phân gia súc do dịch bệnh, tái đàn hay giảm quy
mô sản xuất. Sự bổ sung này đặc biệt thích hợp để tăng cường khả năng sản xuất
năng lượng phi tập trung ở các cộng đồng nông thôn, nơi có nhiều túi ủ khí sinh
học qui mô nhỏ đã đi vào hoạt động nhưng kém hiệu quả do sự thiếu hụt về
phân gia súc. Với tất cả những lý do trên, luận án “Nghiên cứu sản xuất khí
sinh học từ rơm và lục bình” đã được thực hiện.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu sử dụng có hiệu quả, bền vững các nguồn sinh khối rơm và
lục bình ở đồng bằng sông Cửu Long thành nguồn năng lượng tái tạo, hạn chế
sự phát thải các khí nhà kính.
1.2.2 Mục tiêu cụ thể

 Xác định lượng rơm dư thừa ở đồng bằng sông Cửu Long nhằm làm cơ
sở nghiên cứu sử dụng lượng rơm này cho sản xuất khí sinh học;
 Xác định khả năng tăng trưởng của lục bình và tiềm năng sử dụng nguồn
sinh khối này bổ sung cho sản xuất khí sinh học ở nông hộ;

 Tìm (i) phương pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, (ii) kích cỡ của nguyên
liệu nạp, (iii) tỷ lệ phối trộn rơm/lục bình với phân heo phù hợp để tạo
khí sinh học từ rơm và lục bình trong điều kiện in vitro;
 Thử nghiệm sử dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học trên mô
hình túi ủ polyethylene (PE) ở quy mô nông hộ trong điều kiện in vivo.

2

1.3 Nội dung nghiên cứu

1. Phỏng vấn nông hộ trồng lúa về lượng dư thừa rơm, các biện pháp xử lý
rơm và thu mẫu rơm, lúa ước tính lượng rơm phát sinh;

2. Bố trí thí nghiệm theo dõi sự tăng trưởng của lục bình ở các thủy vực phổ
biến ở nông hộ;

3. Bố trí thí nghiệm theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ trong điều kiện
in vitro để xác định ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý, kích cỡ của
rơm và lục bình, tỷ lệ phối trộn lên hiệu suất sinh khí và chất lượng khí
sinh học;
4. Thực hiện thí nghiệm đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học của rơm
và lục bình theo phương pháp nạp bán liên tục trong điều kiện in vitro;
5. Đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ yếm khí bán liên tục
– thử nghiệm trên túi ủ biogas polyethylene (PE) ở nông hộ trong điều
kiện in vivo.
1.4 Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu chỉ khảo sát lượng rơm và các biện pháp xử lý sau thu hoạch
ở hai vụ lúa Đông Xuân và Thu Đông ở 04 tỉnh An Giang, Đồng Tháp, Kiên
Giang và Cần Thơ. Nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá ảnh hưởng của các biện
pháp tiền xử lý sinh học đơn giản, kích cỡ nguyên liệu nạp, tỷ lệ phối trộn của
rơm/lục bình với phân heo theo phương pháp ủ yếm khí theo mẻ và ủ yếm khí
bán liên tục trong điều kiện in vitro; thử nghiệm ứng dụng trên ủ biogas
polyethylene (PE) ở nông hộ trong điều kiện in vivo.
1.5 Ý nghĩa của luận án
1.5.1 Về khoa học

Các số liệu khoa học của luận án có thể được sử dụng tham khảo cho quá
trình giảng dạy và nghiên cứu về khí sinh học từ rơm và lục bình. Luận án đã
cung cấp các số liệu khoa học về năng suất sinh khí của rơm và lục bình trong
điều kiện được tiền xử lý sinh học khác nhau, kích cỡ nguyên liệu và trong điều
kiện phối trộn với phân heo ở các tỷ lệ khác nhau. Kết quả nghiên cứu của luận
án đã cho thấy quá trình tiền xử lý rơm và lục bình bằng nước thải biogas đẩy
nhanh quá trình sinh khí, cải thiện năng suất sinh khí của vật liệu. Kích cỡ của
rơm và lục bình trong nghiên cứu của luận án không ảnh hưởng lớn đến quá
trình tạo khí sinh học và năng suất sinh khí của vật liệu. Đã xác định được tỷ lệ
phối trộn của rơm/lục bình và phân heo là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
khả năng tạo khí sinh học của vật liệu. Kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy khả
3


năng sinh khí của rơm và lục bình trong quá trình ủ yếm khí bán liên tục trên
mô hình túi ủ biogas ở quy mô nông hộ.
1.5.2 Về thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng rơm và lục bình để sản xuất
khí sinh học trên mô hình túi ủ polyethylene (PE) trong điều kiện thiếu hụt
nguồn nguyên liệu nạp. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng được trong điều kiện
thực tế giúp mô hình khí sinh học được duy trì ổn định và tận dụng các nguồn
sinh khối để tạo ra nguồn năng lượng sạch (biogas).
1.6 Những luận điểm khoa học mới của luận án

­ Đã xác định được tiền xử lý bằng nước thải sau biogas và bằng nước bùn
đáy ao là phương pháp tiền xử lý đơn giản có thể được ứng dụng trong tiền
xử lý rơm và lục bình giúp đẩy nhanh quá trình sinh khí và sản lượng khí
sinh học trong điều kiện in vitro.

­ Nghiên cứu cho thấy kích cỡ của rơm và lục bình từ không cắt giảm đến
1cm không ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh khí của vật liệu trong điều
kiện in vitro.
­ Đã xác định được tỷ lệ phối trộn 50% - 60% rơm với 50% phân heo có tổng
lượng khí tích dồn cao hơn các tỷ lệ phối trộn khác. Đối với lục bình thì tỷ
lệ phối trộn này là 40% - 60% trong điều kiện in vitro.
­ Nghiên cứu cho thấy sử dụng rơm và lục bình làm nguyên liệu nạp bổ sung
với tỷ lệ 50% (tính theo VS) ở quy mô nông hộ trên túi ủ polyethylene không
ảnh hưởng đến khả năng sinh khí, hiệu suất của túi so với túi ủ truyền thống
nạp hoàn toàn bằng phân heo.

4


Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Tổng quan về khí sinh học
2.1.1 Khái niệm

Khí sinh học (KSH) là một hỗn hợp của nhiều thành phần khí, được sinh
ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn và quá
trình xảy ra trong điều kiện yếm khí (Rajeeb et al., 2009). Thành phần KSH chủ
yếu bao gồm các loại khí CH4, CO2, NH3, H2S và một số loại khí khác, trong đó
khí CH4 và khí CO2 chiếm thành phần chủ yếu trong KSH. Trong thiên nhiên
khí sinh học được sinh ra từ những nơi nước sâu tù đọng, đầm lầy, dưới đáy ao,
hồ, ruộng ngập nước sâu,… và việc sản sinh ra khí sinh học trong thiên nhiên là
một phần quan trọng của chu trình cacbon sinh hóa. Hàng năm trên toàn cầu
khoảng 590 – 880 triệu tấn CH4 được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt
động của các vi khuẩn (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Trong đó, khoảng
90% khí mê-tan phát thải ra có nguồn gốc sinh học từ sự phân hủy của sinh khối,

phần còn lại có nguồn gốc từ hóa thạch (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009)
Trước khủng hoảng năng lượng 1970, khí sinh học không được quan tâm
nhiều, tuy nhiên sau khủng hoảng nhiều nước đã quan tâm đến việc tận dụng
khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí của chất hữu cơ. Tại Việt Nam, công
nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960, nhưng
do những lý do về mặt kỹ thuật và quản lý nên các công trình khí sinh học không
mang lại hiệu quả như mong muốn (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng,
2010). Đến những năm 1980, ở Việt Nam nhiều nơi đã xuất hiện các hầm ủ nắp
vòm cố định Trung Quốc và nắp trôi nổi Ấn Độ. Hiện nay, công nghệ khí sinh
học đã được áp dụng rộng rãi ở ĐBSCL và bước đầu có những thành công như
cải thiện thu nhập nông hộ, hạn chế ô nhiễm môi trường nước mặt từ hoạt động
chăn nuôi (Nguyễn Hữu Chiếm và Matsubara Eiji, 2012). Công nghệ khí sinh
học còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội quan trọng khác như: tạo ra được
nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch (than đá, xăng dầu,…), góp
phần giảm phát thải khí nhà kính nhờ quá trình thu hồi khí mê-tan. Bên cạnh đó,
công nghệ khí sinh học còn cung cấp chất đốt phục vụ cho nấu nướng, sưởi
ấm,… Ở quy mô lớn hơn, khí sinh học còn được dùng để chạy máy phát điện
(Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009).
2.1.2 Thành phần khí sinh học

Thành phần của khí sinh học phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu tham gia
trong quá trình phân giải và các điều kiện bên trong của quá trình phân hủy
5


chẳng hạn như pH, nhiệt độ,… Bên cạnh đó, các giai đoạn của quá trình phân
hủy cũng ảnh hưởng đến thành phần của khí sinh học (Nguyễn Quang Khải,
2009; Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2009). Một số công trình nghiên cứu cho thấy
thành phần chủ yếu của khí sinh học bao gồm khí CH4, CO2, O2, N2 và một phần
ít khí H2S, tỷ lệ các sản phẩm này được thể hiện trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Thành phần khí biogas được sản xuất từ các nguồn khác nhau
Nguyên
liệu

Thành phần khí sinh học (%)

Rác thải
Rác thải
Rác thải

CH4
47 - 57
37 - 62
45 - 55

CO2
24 - 29
24 - 29
30 - 40

O2
<1
<1
-

Bùn thải
Bùn thải

55 - 65
57,8

35 - 45
38,6

0

Thực vật
Thực vật

Phân heo
Phân heo
Phân heo
Phân bò
Phân bò

55 - 58
48 - 65

50 - 70
55 - 65
54-55
52-67
46-49

37 - 38
36 - 41

30 - 40
35 - 45
29-39

Tài liệu tham khảo

N2
1÷17
5 -15

H2 S
<0,1
-

Rasi et al. (2007)
Allen et al. (1997)
Jonsson et al. (2003)

<1
3.7

<0,1

Jonsson et al. (2003)
Spiegel et al. (2003)

<1
<1

<1 -2
<17

-

0-7

-

0 -3
-

2.1.3 Các quá trình lên men yếm khí

<0,1

00,5
-

Rasi et al. (2007)
Rasi et al. (2007)

Nguyễn Quang Khải và Nguyễn
Gia Lượng (2010)

Chongrak (2007)
An and Preston (1999)
Poud et al. (1981)

Nguyễn Lệ Phương và ctv., 2015

Quá trình phân hủy yếm khí vật liệu hữu cơ được chia thành 04 giai đoạn:
thủy phân (1), sinh a-xít (2), sinh a-xít acetic (3) và sinh khí mê-tan (4) (Appels
et al., 2008; Kinyua, 2013; Qu et al., 2009). Thông qua quá trình phân hủy các

chất hữu cơ phức tạp như cacbonhydrate, protein, a-xít béo, các a-xít amin và các
a-xít béo chuỗi dài bị phân hủy bởi nhóm vi khuẩn sinh a-xít và tạo ra các chất
hữu cơ đơn giản dễ phân hủy, cùng các sản phẩm trung gian như a-xít propionic,
a-xít acetic, a-xít butyric,…sau đó các sản phẩm này được chuyển hóa thành CH4
và CO2 bởi vi khuẩn sinh khí mê-tan (Boubaker and Ridha, 2010). Các giai đoạn
chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học được thể hiện qua Bảng 2.2.

6


Bảng 2.2: Các phản ứng sinh hóa và vi khuẩn tham gia vào quá trình lên men
yếm khí
Giai đoạn

Nhóm vi khuẩn

Giai đoạn thủy phân

(C6H10O5)n + nH2O = n(C6H12O6) (1)

Giai đoạn sinh a-xít
C6H12O6 + 2H2O = 2CH3COOH + 4H2 + CO2 (2)
C6H12O6 + 2H2 = 2CH3CH2COOH + 2H2O (3)

Bacteriodes, Clostridium, Butyrivibrie,

C6H12O6 = CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 (4)

Eubacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus

C6H12O6 = 2CH3CH2OHCOOH (5)

C6H12O6 = 2CH3CH2OH + 2CO2 (6)
Giai đoạn a-xít acetic
CH3CH2OHCOOH + H2O = CH3COOH + CO2 + 2H2 (7)
CH3CH2OH + H2O = CH3COOH + 2H2 (8)

CH3CH2CH2COOH + 2H2O = 2CH3COOH + 2H2 (9)

CH3CH2COOH + 2H2O = CH3COOH + CO2 + 3H2 (10)
Giai đoạn sinh khí mê-tan
4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O (11)
2CH3CH2OH + CO2 = 2CH3COOH + CH4 (12)
CH3COOH = CH4 + CO2 (13)

Desulfovibrio, Syntrophobacter wolinii,
Syntrophomonas

Methanobacterium formicicum, M. Bryantii
Methanobrevibacter ruminantium, M. Arboriphilus
Methanosarcina barkeri, Methanospirilum hungatei

(Abbasi et al., 2012)

Quá trình phân hủy chất hữu cơ là một quá trình tương đối phức tạp yêu cầu
về các điều kiện yếm khí tương đối cao như hiệu thế oxy hóa khử thấp (< -200mV)
cho quá trình phân hủy diễn ra tốt, phụ thuộc vào sự hoạt động đồng bộ và sự liên
kết giữa các vi sinh vật để chuyển đổi các chất hữu cơ thành CH4 và CO2 (Appels
et al., 2008), trong mỗi giai đoạn sẽ có các loại vi khuẩn khác nhau tham gia vào
quá trình phân hủy. Trong đó giai đoạn sinh a-xít là giai đoạn có khả năng hạn

chế quá trình sinh khí và sự tích lũy a-xít sẽ gây ức chế sự hoạt động của vi sinh
vật sinh khí mê-tan, có khoảng 72% khí mê-tan được sản sinh từ a-xít acetic
(McCarty, 1964), phần còn lại được sản xuất từ CO2 và H2 (Hình 2.1). Một ít từ
a-xít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số
lượng ít trong quá trình phân hủy yếm khí.

Hình 2.1: Sự chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học (McCarty, 1964)
7


a) Giai đoạn thủy phân

Giúp phân hủy các chất hữu cơ không hòa tan và các hợp chất cao phân tử
như lipid, polysacharide, protein và a-xít nucleic thành các hợp chất hữu cơ dễ
hòa tan như a-xít amino, các a-xít béo bay hơi, đây là bước đầu tiên của quá
trình phân hủy yếm khí của các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, các chất hữu cơ
như cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản. Đây là
một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì các vi khuẩn ở giai đoạn 1
sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Các sản phẩm từ quá
trình thủy phân sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo (giai đoạn sinh a-xít)
(Appels et al., 2008). Các vi sinh vật yếm khí tùy nghi đóng vai trò quan trọng
trong việc tiêu thụ oxy hòa tan trong nước và là nguyên nhân giảm thế oxy hóa
khử cần thiết cho quá trình phân hủy.
b) Giai đoạn sinh a-xít

Trong giai đoạn sinh a-xít các vi sinh vật yếm khí sẽ chuyển hóa các hợp
chất hữu cơ đơn giản thành các a-xít béo bay hơi như a-xít acetic, a-xít propionic,
a-xít butyric, a-xít lactic, các hợp chất hữu cơ gốc rượu cùng với amoniac (NH3),
CO2, H2S và các sản phẩm phụ khác được hình thành (Appels et al., 2008;
Kalyuzhnyi et al., 2000). Trong giai đoạn này nồng độ ion H+ được hình thành

làm ảnh hưởng đến các loại sản phẩm của quá trình lên men, khi nồng độ ion của
H+ càng tăng cao thì các hợp chất hữu cơ như acetate sẽ giảm (Appels et al., 2008).
Nhìn chung, trong giai đoạn này các loại đường đơn giản, a-xít béo và a-xít amin
được chuyển đổi thành các a-xít hữu cơ và gốc rượu (Gerardi, 2003).
c) Giai đoạn sinh a-xít acetic

Các sản phẩm từ giai đoạn sinh a-xít sẽ làm chất nền cho các vi khuẩn
trong giai đoạn a-xít acetic. Các a-xít hữu cơ và hợp chất hữu cơ gốc rượu
được hình thành và thủy phân để chuyển đổi thành a-xít acetic cũng như CO2
và H2 (Appels et al., 2008). Các vi khuẩn tham gia trong giai đoạn này có chức
năng chuyển hóa các hợp chất như VFAs, alcohol,… thành H2, CO2 nhưng chủ
yếu là a-xít axetic. Trong giai đoạn này các a-xít hữu cơ và gốc rượu được
chuyển đổi thành acetate là chất nền cho vi khuẩn trong quá trình tạo thành
khí mê-tan. Các vi khuẩn acetogenic sẽ phát triển cộng sinh với vi khuẩn hình
thành khí mê-tan (Garcia et al., 2000).
d) Giai đoạn sinh khí mê-tan

Trong giai đoạn này khí mê-tan được hình thành bởi hai nhóm vi sinh vật
sinh khí mê-tan (1) tách acetate bên trong thành CH4 và CO2, (2) sử dụng H2 và
CO2 cho quá trình hình thành khí sinh học (Appels et al., 2008). Hầu hết các vi
8


khuẩn sinh mê-tan trong bể phân hủy đều được thực hiện qua các phản ứng sau:
phản ứng (12) sử dụng chất nền là CH3COO-, phản ứng (11, 13) sử dụng chất
nền là H2, CO2 và HCO3- (Bảng 2.2). Các phản ứng sinh hóa trong quá trình
sinh khí mê-tan có thể diễn ra như sau:

Hình 2.2: Các giai đoạn trong quá trình hình thành khí sinh học (Kinyua, 2013)
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan

2.2.1 Nhiệt độ

Quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong khoảng
nhiệt độ ưa ấm từ 20 – 45oC, tốc độ phân hủy phụ thuộc một cách mạnh mẽ
vào nhiệt độ (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009). Có 3 dãy nhiệt độ
khác nhau bao gồm: ưa nhiệt độ thấp (<20oC), ưa ấm (20 – 45oC) và ưa nhiệt
(45 – 60oC) (Raposo et al., 2011), trong thực tế sự biến đổi của nhiệt độ trong
ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí của các túi ủ và hầm ủ (Lâm
Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009).
9