(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học biogas của phụ phẩm dứa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGƠ MẠNH TÚC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG
SINH KHÍ SINH HỌC BIOGAS CỦA PHỤ PHẨM DỨA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGƠ MẠNH TÚC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG
SINH KHÍ SINH HỌC BIOGAS CỦA PHỤ PHẨM DỨA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: TS. Phan Thị Tuyết Mai

Hà Nội – 2017

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Phan Thị Tuyết
Mai – Giảng viên khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã ra đề tài,
hướng dẫn, quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cơ giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập và làm việc tại trường.
Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những
người thân yêu đã luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong suốt quá trình
học tập và rèn luyện.
Đề tài của em được thực hiện tại phịng Thí nghiệm số 2, Bộ mơn Cơng nghệ
Hóa học, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
Đề tài được thực hiện với nguồn kinh phí hỗ trợ từ đề tài đặt hàng của tỉnh
Ninh Bình với Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, mã số đề tài 16/HĐ-KHCN.

Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2017
Học viên

Ngô Mạnh Túc


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 3

1.1. Giới thiệu q trình phân hủy kị khí ............................................................... 3
1.1.1.Biogas là gì? .............................................................................................................. 3
1.1.2.Ứng dụng của biogas .............................................................................................. 3
1.2. Quá trình phân hủy kỵ khí. ............................................................................ 5
1.2.1.Ngun lý hóa học và sinh học của q trình phân hủy kị khí .......................... 5
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kị khí. .......................................12
1.3. Cơng nghệ phân hủy kỵ khí . ........................................................................ 15
1.4. Tình hình phát triển cơng nghệ biogas.......................................................... 19
1.4.1. Tình hình phát triển cơng nghệ biogas trên thế giới .......................................19
1.4.2. Tình hình phát triển cơng nghệ biogas ở Việt Nam .........................................19
1.5. Sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa. ................................................................ 20
1.5.1. Nguồn phụ phẩm dứa trên thế giới và ở Việt Nam. .........................................20
1.5.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa…………………

21

1.5.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới q trình lên men kỵ khí phụ phẩm dứa. ...............23
1.5.4. Các phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa cho q trình phân hủy kỵ khí. ......25
Chương 2. THỰC NGHIỆM.................................................................................. 29
2.1.Nguyên vật liệu ............................................................................................... 29
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 29
2.1.2. Nguyên liệu và hóa chất sử dụng ................................................................ 29
2.1.3. Trang thiết bị .............................................................................................. 29
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 30
2.2.1.Thiết kế và vận hành mơ hình thí nghiệm ..................................................... 30
2.2.2. Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong q trình phân hủy kị khí ............. 32
2.2.3. Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa .............................. 32
2.2.4. Phân tích hóa học ....................................................................................... 33
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

2

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 34
3.1. Nghiên cứu tiềm năng sinh khí biogas của phụ phẩm dứa ............................. 34
3.1.1. Xác định thành phần của phụ phẩm dứa ..................................................... 34
3.1.2. Nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa bằng KOH ........................ 35
3.1.2.1.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH .................................................... 36
3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân .......................................... 38
3.1.3. Nghiên cứu lựa chọn nguồn VSV sinh metan .............................................. 40
3.1.4. Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa .............................. 41
3.2. Nghiên cứu nâng cao năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa ............... 43
3.2.1. Nghiên cứu quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ ........... 43
3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dinh dưỡng C:N .......................................................... 47
3.2.3. Năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa trên hệ thống pilot............... 48
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 51
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 54

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

3

Cao học Hóa K25 - KTHH

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Một số lồi vi sinh vật trong q trình phân hủy kỵ khí…………………….10
Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật. ...................................................11
Hình 3: Bể UASB ....................................................................................................16
Hình 4: Bể tự hoại ....................................................................................................16
Hình 5: Hệ thống lên men kị khí 1 giai đoạn ...........................................................16
Hình 6: Hệ thống lên men kị khí 2 giai đoạn ...........................................................16
Hình 7: Cấu trúc của lignocellulose ........................................................................24
Hình 8: Cấu tạo phân tử cellulose. ..........................................................................24
Hình 9 : Cơ chế tổng quát được đề xuất trong phản ứng thủy phân xenlulo bằng
enzym cellulase ..........................................................................................................28
Hình 10: Ảnh các mẫu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa phụ phẩm dứa .................30
Hình 11: Hệ thống đo khí bằng phương pháp cột nước ...........................................32
Hình 12: Theo dõi tổng acid, tổng đường của mẫu vỏ dứa khảo sát ảnh hưởng của
nồng độ KOH ............................................................................................................37
Hình 13. Theo dõi pH và đường của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng
dung dịch KOH 0,02N ...............................................................................................39
Hình 14. Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng
KOH 0,02N ................................................................................................................39
Hình 15. Năng suất sinh khí biogas của các mẫu với nguồn VSV khác nhau ..........40
Hình 16. Sự thay đổi mật độ VSVSMT từ Thanh Hóa: a- mẫu ban đầu; b-mẫu sau
18 ngày phân hủy kỵ khí ............................................................................................41
Hình 17. Sự thay đổi pH của các mẫu phụ phẩm dứa với tỷ lệ dinh dưỡng C/N khác
nhau trong quá trình phân hủy kỵ khí .......................................................................42

Hình 18: Tổng thể tích khí biogas sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N .......................42
Hình 19: Theo dõi pH, tổng đường, tổng acid của mẫu vỏ dứa trong q trình thủy
phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bị ..............................................................44

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

4

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Hình 20. Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân và acid
hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bị....................................................................................46
Hình 21: Nổng thể tích khí methan sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N .....................48
Hình 22: Đường chuẩn protein tại bước sóng 645nm ..............................................57
Hình 23: Mơ hình thiết bị điện di mao quản .............................................................63
Hình 24: Đường chuẩn xác định COD .....................................................................66
Hình 25: Đường chuẩn xác định PO43- .....................................................................68
Hình 26: Đường chuẩn xác định NH4+ ....................................................................71

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

5

Cao học Hóa K25 - KTHH

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các vi khuẩn lên men acid ..........................................................................08
Bảng 2: Phân tích thành phần phụ phẩm dứa .........................................................34
Bảng 3: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau 2 tuần thủy phân bằng KOH ...36
Bảng 4: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau quá trình thủy phân bằng
dung dịch KOH 0.02M theo thời gian .......................................................................38
Bảng 5: Sự thay đổi pH, tổng đường và tổng acid của dịch phụ phẩm dứa theo thời
gian hủy phân, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bị ...................................................44
Bảng 6: Kết quả hàm lượng VFA của mẫu dịch phụ phẩm dứa theo thời gian phân
hủy, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò ....................................................................45
Bảng 7. Kết quả phân tích thành phần lỏng và rắn của mẫu phụ phẩm dứa sau quá
trình thủy phân và axit bằng dung dịch KOH 0,02M và dạ cỏ bò ............................47
Bảng 8: Giá trị tổng thể tích khí biogas và COD của mẫu cơ chất dứa phân hủy
trên hệ pilot 35 lít ......................................................................................................49

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

6

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD (Biochemical oxygen demand): Nhu cầu oxy sinh hóa
COD (Chemical oxygen demand): Nhu cầu oxy hóa học
UASB (Upflow anearobic sludge blanket): Bể xử lý sinh học dịng chảy ngược qua
tầng bùn kị khí
X: Hàm lượng cellulose
TS: Tổng chất rắn
TS (Turbidity and suspendid solids): Tổng chất rắn lơ lửng
VFA (Volatile fatty acid): Acid béo dễ bay hơi
VS: Thành phần hữu cơ dễ bay hơi
VSV: Vi sinh vật
VSVSMT: Vi sinh vật sinh methan

Học viên: Ngô Mạnh Túc

7

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

LỜI MỞ ĐẦU
Dứa là một trong những cây công nghiệp phát triển mạnh và là đặc sản của
nước ta. Các sản phẩm chế biến từ dứa Việt Nam đã và đang xuất khẩu sang nhiều
nước trên thế giới. Khối lượng dứa xuất khẩu đang không ngừng gia tăng, đồng
nghĩa với lượng phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến là rất lớn vì có đến 70 –

75 % khối lượng dứa là phụ phẩm. Ngoài ra, phụ phẩm từ dứa thải ra sau thu hoạch
là rất lớn, lên đến 50 - 60 tấn/ha [5,8,10].
Có thể thấy, lượng phụ phẩm dứa hàng năm là rất lớn, nhưng giá trị sử dụng
của nó lại rất ít, chỉ được sử dụng một lượng nhỏ để chế biến thành thức ăn cho gia
súc, cịn lại đổ bỏ, gây lãng phí, tốn diện tích đất làm bãi chứa, đồng thời, gây ô
nhiễm môi trường. Phụ phẩm từ dứa qua quá trình phân hủy tự nhiên tạo ra mùn và
gây mùi hôi thối, mùn tạo ra lại rất khó sử dụng làm phân bón vì hàm lượng acid
cao gây chai đất và có hại cho cây trồng. Việc chọn giải pháp phù hợp để xử lý
nguồn phụ phẩm này, biến chúng trở thành nguồn tài nguyên đang là thách thức đối
với các nhà khoa học.
Phụ phẩm từ dứa có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, thích hợp cho q trình
xử lý bằng cơng nghệ lên men kỵ khí sinh khí methan. Trong đó, q trình thủy
phân phụ phẩm dứa là giai đoạn quan trọng đầu tiên quyết định lớn đến hiệu quả
của quá trình lên men này. Tuy nhiên, quá trình thủy phân thường xảy ra chậm do
sự có mặt một lượng lớn thành phần lignocelluloses trong nguyên liệu.
Lignocelluloses có cấu trúc rất vững chắc nên q trình thủy phân thường rất khó
xảy ra hoặc xảy ra rất chậm [14]. Vì thế, nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm
dứa nhằm nâng cao khả năng sản xuất khí methan là rất quan trọng.
Cho đến nay, cơng nghệ này vẫn cịn mới và chưa phổ biến nhưng cho thấy
tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp rẻ
tiền và dồi dào ở Việt Nam. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học
biogas của phụ phẩm dứa” được đưa ra nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn cao.

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

1

Cao học Hóa K25 - KTHH

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
+ Đánh giá tiềm năng sinh khí biogas từ phụ phẩm dứa bằng cơng nghệ phân hủy kỵ
khí hai giai đoạn.
Nội dung nghiên cứu của đề tài:
+ Nghiên cứu quá trình tiền xử lý phụ phẩm dứa;
+ Nghiên cứu lựa chọn nguồn vi sinh vật cho q trình methan hóa;
+ Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho q trình sinh khí biogas.

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

2

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu về quá trình phân hủy kỵ khí

1.1.1. Biogas là gì?

Biogas hay cịn gọi là khí sinh học, là hỗn hợp khí được sinh ra từ quá trình
phân hủy những hợp chất hữu cơ trong mơi trường kỵ khí nhờ hoạt động của các vi
sinh vật. Trong đó, thành phần chủ yếu là khí methan (CH4) chiếm 55 – 70 % thể
tích và khí CO2 (30 – 45 %). Ngồi ra, biogas cịn chứa một số tạp chất như
hydrogen sulphide H2S (< 3 %), amoniac NH3 (< 2 %) và một lượng nhỏ hơi nước,
nitơ (N2), hydro (H2) và các hợp chất siloxan [25].
Biogas sau khi làm sạch có nhiều ứng dụng quan trọng và thiết thực như
dùng để đun nấu, thắp sáng, sản xuất nhiệt và hơi quá nhiệt bằng chạy nồi hơi sinh
nhiệt, sản xuất điện bằng chạy máy phát điện hoặc hệ đồng phát nhiệt điện. Biogas
sau khi tinh chế có hàm lượng methan trên 97 % gọi là Biomethan, được sử dụng
thay thế khí tự nhiên hoặc hịa vào mạng lưới khí tự nhiên, hoặc nén lỏng để sử
dụng làm nhiên liệu cho phương tiện giao thơng, máy móc, động cơ.
Được mệnh danh là “cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới

,

khí biogas hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụ ng rô ̣ng raĩ trên thế giới , đă ̣c
biê ̣t là ở các nước đang phát triể n có khí hâ ̣u nhiê ̣t đới như Ấn Đô ̣ , Brazil, Nepal,
Kenia, Thái Lan, Viê ̣t Nam… bởi điều kiện khí hậu của các nước này thích hợp cho
q trình lên men kị khí chấ t thải hữu cơ để sinh khí biogas.
Năng lượng sản xuất từ biogas là loại năng lượng carbon cực thấp, lượng
CO2 phát thải giảm 50 g CO2/kWh so với năng lượng sản xuất từ than [25]. Việc
sản xuất biogas sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa
giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.
Phát triển cơng nghệ biogas cũng là con đường tất yếu để giải quyết vấn đề
ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ nguồn rác thải hữu cơ.
1.1.2. Ứng dụng của biogas
Khi cả thế giới kêu gọi khẩu hiệu phát triển bền vững thì BioFuel (nhiên liệu
sinh học) nói chung và Biogas nói riêng đang trở thành vấn đề nóng được quan tâm
đặc biệt, và được nhắc tới thường xuyên như một giải pháp có hiệu quả. Đã có

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

3

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

nhiều loại nguyên liệu sinh học ra đời như biomethan, biodiesel, bioethanol… để
thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Khi cả thế giới đang suy nghĩ tìm cách
giải quyết khâu nguyên liệu cho những sản phẩm nhiên liệu sinh học thì việc sản
xuất biogas từ phụ phẩm, chất thải hữu cơ sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra
nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải
khí gây hiệu ứng nhà kính. Trong một thế giới đang ngày càng đề cao sự phát triển
bền vững, mối liên kết giữa năng lượng và môi trường đã trở nên vô cùng mạnh mẽ.
Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo ít carbon đang
được ưu tiên hàng đầu.
Sản phẩm biogas có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau từ việc sử
dụng trực tiếp đun nấu thay cho khí gas hóa lỏng truyền thống, hay dùng để thắp
đèn khí sinh học, đến việc tinh chế, làm sạch để dùng làm nguyên liệu chạy máy
phát điện, động cơ xe máy, ơ tơ ... Dưới đây là một số hình thức sử dụng biogas
hiệu quả đang được áp dụng trên thế giới.
+ Đun nấu: đạt hiệu suất 50 – 60 %. Về nhiệt lượng hữu ích: 1m3 biogas (60
% CH4) có thể thay thế 0,76 Lít dầu; 5,2 kWh điện; 4,8 kg củi; 8,6 kg rơm rạ [2,12].
+ Thắp sáng: Phải dùng đèn mạng độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60 W
tiêu thụ 70 - 120 Lít/giờ [12].
+ Chạy các động cơ đốt trong: Máy bơm, máy xay xát, máy phát điện, máy

sản xuất hơi (boiler)…
+ Các ứng dụng khác: Sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh…
Ngồi ra, biogas cịn được sử dụng để diệt sâu bọ trong bảo quản ngũ cốc, hoặc
dùng để bảo quản hoa quả cho hiệu quả kinh tế cao.
+ Lợi ích về nông nghiệp: nguyên liệu khi được nạp bể biogas sẽ phân hủy
chuyển hóa thành biogas, phần bã khơng phân hủy vẫn còn lượng dinh dưỡng khá
cao và nguồn sinh khối từ vi sinh vật sau quá trình lên men có thể sử dụng làm phân
bón cho cây trồng, xử lý hạt giống trước khi gieo; nước thải từ bể biogas dùng để
nuôi tảo, bèo làm thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản, trồng nấm,
ni giun.
+ Lợi ích về mơi trường: cải thiện vệ sinh, khơng có khói bụi, giảm bệnh
phổi, giảm bệnh đau mắt, xử lý giảm bệnh giun sán, bệnh truyền nhiễm, hạn chế
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

4

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

thuốc trừ sâu, xử lý chất thải hữu cơ, bảo vệ đất khỏi bạc màu, hạn chế phá rừng,
giảm phát thải khí nhà kính.
+ Lợi ích khác: hiện đại hóa nơng thơn, giải phóng sức lao động phụ nữ và
trẻ em, tạo cơng ăn việc làm cho người dân.
1.2.

Q trình phân hủy kỵ khí

1.2.1. Ngun lý hóa học – sinh học của q trình phân hủy kỵ khí
Phân hủy kỵ khí được chứng minh là công nghệ hữu hiệu để xử lý chất thải
hữu cơ. Trong những năm gần đây, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi để xử
lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Công nghệ này đang được phát
triển mạnh nhờ các hiểu biết về cơ sở hóa sinh của q trình phân hủy kỵ khí ngày
càng sâu rộng và có nhiều cải tiến về thiết kế các bể phản ứng.
Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí:
(CHO)nNS → CO2 + H2O + CH4 + H2S + H2 + NH4+ + tế bào mới
Phân hủy kỵ khí xảy ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác
nhau. So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm sau [15]:
- Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý làm chất nhận điện tử.
Q trình này hồn tồn khơng sử dụng O2, do vậy giảm được chi phí vận hành
đáng kể.
- Lên men kỵ khí tạo ít sinh khối (từ 3 - 20 lần so với quá trình hiếu khí) vì
năng lượng sinh ra do hơ hấp kỵ khí rất thấp. Nếu q trình hiếu khí chuyển hóa 50
% carbon hữu cơ thành sinh khối, thì trong quá trình kỵ khí, tỷ lệ này là 5 %. Tổng
lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn carbon hữu cơ, trong điều kiện kỵ khí là
20 - 150 kg, nhỏ hơn nhiều khi so với 400 - 600 kg trong điều kiện hiếu khí. Phần
lớn năng lượng giải phóng ra từ nguồn cơ chất ban đầu được chuyển vào sản phẩm
cuối cùng của quá trình là CH4 [3,4].
- Lên men kỵ khí tạo ra khí methan là nguồn năng lượng sạch, có giá trị năng
lượng đến 9000 kcal/m3, có thể đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử
dụng để sản xuất điện [4].
- Giảm nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải.

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

5

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

- Cơng nghệ này thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải cơng nghiệp có
nồng độ hữu cơ cao.
- Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao.
- Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật kỵ khí tham gia q trình phân hủy
được duy trì khá lâu, ngay khi bể phản ứng khơng được nạp liệu trong thời gian dài.
- Các hệ thống phân hủy kỵ khí cịn có thể xử lý các hợp chất hữu cơ bền như
carbuahydro mạch thẳng bị chlor hóa và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin.
Quá trình phân hủy kỵ khí về mặt hóa học và vi sinh vật phức tạp hơn xử lý
hiếu khí. Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của vi sinh vật thành khí methan là
nhờ sự thủy phân các carbohydrat phức tạp, protein, chất béo thành những
carbohydrat đơn giản, aminoacid, acid béo. Đường đơn và acid sau đó được sử dụng
để thu năng lượng cho sự sinh trưởng bởi vi khuẩn lên men, sinh ra acid hữu cơ và
hydro ở các sản phẩm trung gian. Acid hữu cơ sau đó được oxy hóa một phần bởi
những vi khuẩn lên men khác, sản xuất thêm hydro và acid acetic. Hydro và acid
acetic là cơ chất chính được sử dụng bởi vi khuẩn sinh methan, chuyển chúng thành
methan. Hydro được sử dụng như phần tử cho electron, với CO2 - phần tử nhận
electron, để hình thành khí methan, trong khi acetat được tách ra để tạo methan từ
nhóm metyl, và tạo CO2 từ nhóm carbonyl trong phản ứng lên men.
Chìa khóa để ứng dụng thực tế có hiệu quả của phân hủy kỵ khí dựa vào sự
điều chỉnh và tối ưu hóa môi trường nội tại của một bể phản ứng sinh học đi kèm,
nhằm đưa ra các điều kiện lý tưởng cho q trình và duy trì chúng.
1.2.1.1. Về mặt hóa học
Q trình phân hủy kỵ khí thực tế rất phức tạp, liên quan đến hàng trăm phản

ứng và hợp chất trung gian, rất nhiều trong số đó có yêu cầu bổ sung chất xúc tác,
enzym và chất điều phối.
Quá trình phân hủy kỵ khí gồm 4 giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1 - Thủy phân: Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, cellulose,
lipid… được vi sinh vật kỵ khí như Closdium bipiclobacterium, Bacilus gram âm
khơng sinh bào tử, Staphy loccus…chuyển thành các chất có trọng lượng phân tử

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

6

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

thấp hơn như aminoacid, đường đơn, glyxerin. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào cấu
tạo và tính chất của chất nền, tập hợp vi khuẩn, nhiệt độ và pH [1, 4, 15].
Tham gia vào giai đoạn này chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc xen lẫn vi
khuẩn kỵ khí tùy tiện. Vi khuẩn thuỷ phân thường có hình que, nhuộm Gram dương
hoặc Gram âm. Bản chất nền ảnh hưởng lớn nhất đến chủng loại các vi khuẩn này.
Vi sinh vật tham gia giai đoạn hoạt tính enzym thủy phân ngoại bào đóng vai trị
quan trọng trong lên men kỵ khí sinh methan được xác định là: Clostridium,
Bacteroides, Butyvibrio, Peptococcus, Streptococcus. Nhìn chung, các vi khuẩn giai
đoạn thủy phân có thể sống trong mơi trường có pH từ 5 - 8, nhưng thích hợp nhất
là pH 5,5 - 6,5. Giai đoạn thủy phân thường có thể kéo dài và trở thành bước quyết
định tốc độ xử lý.
- Giai đoạn 2 - Sinh acid: Các vi khuẩn sinh acid (ví dụ như Clostridium)

chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như acid acetic,
acid lactic, acid propionic, acid formic, acid butyric), rượu và keton (như etanol,
methanol, glycerol, acetone), CO2 và H2 [16]. Do sự tạo thành các acid hữu cơ, pH
giảm xuống rõ rệt.
Vi khuẩn lên men sinh acid trong phân hủy kỵ khí thuộc một số chi thường
gặp như Pseudomonas, Clostridium, Micrococcus, Lactobacillus. Vi khuẩn nhóm
này có vai trị chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như
các acid acetic, propionic, fomic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol,
methanol, gryxerol, aceton), acetat, CO2 và H2. Acetat là sản phẩm chính được tạo
ra trong q trình phân hủy kỵ khí các hợp chất carbonhydrat. Sản phẩm phân hủy
kỵ khí thay đổi phụ thuộc vào các loại vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa trong bể
phản ứng (Bảng 1).

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

7

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Bảng 1: Các vi khuẩn lên men sinh acid [3,4]
Vi khuẩn

Sản phẩm acid

Bacillus cereus

Acid acetic, acid lactic

Bacillus megaterium

Acid acetic, acid lactic

Bacterodies succigenes

Acid acetic, acid sucinic

Clostridium carnefectium

Acid formic, acid acetic

Clostridium cellobinharus

Acid lactic, etanol,CO2

Clostridium dissolves

Acid formic, acid axetic

Clostridium thermocellaseum

Acid lactic, acid sucinic, etanol

Pseudomonas

Acid formic, acid acetic, acid lactic

Ruminococcussp

Acid sucinic

- Giai đoạn 3 - Sinh acetat: Nhóm vi khuẩn sinh acetat là acetogen sẽ chuyển
hóa các acid béo (như acid propionic, acid butyric) và rượu thành acetat, H2, CO2.
Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh
methan hoạt động. Để có thể chuyển hóa được các acid béo, vi khuẩn sinh acetat
cần có điều kiện áp suất cục bộ của H2 trong môi trường ở mức rất thấp, do vậy,
quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các vi sinh vật sinh methan là nhằm duy trì điều kiện
này [1,3]. Ethanol, acid propionic, acid butyric và glycerol được vi khuẩn sinh
acetate chuyển hóa thành acid acetic theo các phản ứng sau:
CH3(CH2)2COOH (acid butyric) + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2
CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + 2H2
C3H8O3 (glycerol) + H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2
CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 2H2
Vi khuẩn sinh acetate (acetogen) sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn
sinh methan (methanogen) khoảng 25 lần [3,20], tuy nhiên, methanogen lại sử dụng
cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy, có
thể duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở
mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng. pH tối ưu cho các vi
Học viên: Ngô Mạnh Túc

8

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

khuẩn acetat hoá nằm trong khoảng 6 - 7. Các giống vi khuẩn acetat hóa quan trọng
gồm: Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas.
- Giai đoạn 4 – sinh methan: Vi sinh vật sinh methan (methanogen) không
thuộc giới vi sinh khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà
thuộc giới vi sinh vật cổ khuẩn (Archae), do đó, có cấu tạo thành và màng tế bào
khác biệt. Chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này.
Vi sinh vật này có nhiều hình dạng khác nhau (que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám…)
có lồi chuyển động được, có lồi khơng. Đặc điểm chung của chúng là chịu được
nhiệt độ khá cao (60 - 80o C), sinh trưởng trong mơi trường có thế khử rất thấp (Eh <
-300V), rất mẫn cảm với sự biến động của các yếu tố môi trường như oxy, nhiệt độ,
pH… nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin. Coenzyne của vi
sinh vật sinh methan rất đặc biệt, bao gồm coenzyme M, coenzym F430 và F420 khiến
chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại, do đó, có thể dễ dàng
phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này. Thời gian thế hệ của chúng
khá dài, khoảng 1 ngày ở 55o C đến 3 ngày ở 35o C và tới 50 ngày ở 10o C.
Methanogen chuyển hóa H2, CO2, acetate thành CH4 [15] bằng các con đường sau:
+ Con đường 1 - Methanogen sử dụng hydro: Vi sinh vật Hydrogentrophic
Methanogen chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Có dưới 30 % lượng methan được tạo thành từ con đường này. Nhóm vi sinh
vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ xử lý ở mức
thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảm bảo các acid béo và rượu được
chuyển thành acetate. Các chi thường gặp thuộc nhóm này gồm có
Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium,
Methanogenium.
+ Con đường 2 – Methanogen sử dụng acetate: Vi sinh vật Acetotropic
Methanogen chuyển hóa acetate thành CH4 và CO2:

CH3COOH → CO2 + CH4
Có khoảng 70 % lượng methan được tạo thành từ con đường này. Lượng CO2
giải phóng được khử bằng con đường 1. Trong bể kỵ khí, hai chi thường gặp thuộc
nhóm này là Methanosarcina và Methanothrix [3].
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

9

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

+ Con đường 3: Nhờ vi khuẩn Methylotrophic methanogen phân giải cơ chất
chứa nhóm metyl:
CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O
4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2+ 4NH3
Một số loài vi sinh vật trong q trình phân hủy kỵ khí được giới thiệu trong hình 1.

a) Clostridium

b) Bacillus Cereus

c) Sytrophobacter

d) Methanothrix

Hình 1: a) Vi khuẩn có hoạt tính thuỷ phân, b) Vi khuẩn lên men sinh acid,

c) Vi sinh vật sinh acetat, d) Vi sinh vật sinh methan.
Trong các nghiên cứu, người ta thấy rằng: trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân,
acid hóa và acetic hóa), lượng COD hầu như khơng giảm, COD chỉ giảm trong giai
đoạn methan hóa, ngồi sản phẩm chính là methan, cịn có các sản phẩm NH3, H2S,
indol, scatol,… gây mùi thối [2,12].

Học viên: Ngô Mạnh Túc

10

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Như vậy, các sản phẩm gây mùi thối chỉ tạo ra trong quá trình lên men và
bán phân hủy chất hữu cơ, nếu bị đẩy ra ngoài, kéo mùi thối ra cùng, là nguyên
nhân gây thối và ô nhiễm môi trường thứ cấp.
1.2.1.2. Về mặt sinh học:
Phân hủy kỵ khí là hệ cân bằng sinh thái, trong đó, các nhóm vi sinh vật khác
nhau cùng tham gia chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm
cuối cùng. Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào q trình chuyển hóa chất hữu cơ
gồm nhóm thủy phân, nhóm lên men acid, nhóm sinh acetat, nhóm sinh methan. Sự
sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, tăng số lượng tế bào, tăng số
lượng quần thể vi sinh vật. Nguyên liệu ban đầu là phụ phẩm dứa có nhiều chất hữu
cơ để vi sinh vật đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng và sinh sản. Thời gian càng dài,
nồng độ chất dinh dưỡng càng suy giảm, các sản phẩm thải từ quá trình trao đổi chất
ngày càng tăng. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật thể hiện qua hình 2:

Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật [11].
Đường cong gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn tiềm phát: Khi thêm vi sinh vật vào bể phân hủy kỵ khí, số lượng
thường khơng tăng lên. Ngun nhân là do thành phần môi trường mới không giống
với môi trường cũ nên vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với việc sử dụng chất
dinh dưỡng mới. Nếu tính chất của mơi trường mới khác nhiều so với mơi trường cũ
thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài.
Giai đoạn lũy tiến: Trong giai đoạn này, vi sinh vật sinh trưởng và phân cắt
với tốc độ tối đa, nhịp độ sinh trưởng của chúng là không thay đổi. Sau một thời
gian nhất đinh, khối lượng, cũng như tổng số cá thể của vi sinh vật tăng gấp đôi.

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

11

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Giai đoạn ổn định: Đường cong sinh trưởng đi ngang, nồng độ vi sinh vật ổn
đinh. Trong giai đoạn này, số lượng vi sinh vật sống khơng thay đổi, có thể do số
lượng vi sinh vật mới sinh ra cân bằng với số lượng vi sinh vật chết đi, hoặc vi sinh
vật ngưng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất. Nguyên nhân làm
quần thể vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định chủ yếu là do sự hạn chế chất
dinh dưỡng. Giai đoạn acid hóa làm acid hóa mơi trường và ức chế sự sinh trưởng
của vi sinh vật.

Giai đoạn suy vong: Việc tiêu hao hết chất dinh dưỡng và tích lũy các chất
thải độc hại làm tổn thất đến môi trường sống của vi sinh vật, làm cho số lượng tế
bào giảm xuống.
Việc nghiên cứu quá trình sinh trưởng của vi sinh vật đặc biệt quan trọng ảnh
hưởng tới năng suất sinh khí biogas. Nắm vững các giai đoạn phát triển cho ta thời
gian phù hợp để q trình lên men kỵ khí xảy ra tối ưu.
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí
- Điều kiện kỵ khí:
Q trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong
đó, các vi khuẩn sinh methan là những vi khuẩn quan trọng nhất, là những vi khuẩn
kỵ khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì
vậy, phải đảm bảo điều kiện kỵ khí tuyệt đối của mơi trường lên men.
- Cân bằng dinh dưỡng: Để quá trình xử lý sinh học có thể thành cơng, chất
dinh dưỡng vô cơ thiết yếu cho vi sinh vật cần được cung cấp đầy đủ và cần thiết
cho hoạt động của vi sinh vật (theo mức độ giảm dần về tầm quan trọng) gồm nitơ,
sunlfur, phosphor, sắt, cobalt, nikel, molipden, selen, vitamin B12 [1,3,15].
+ Nitơ là nguồn dinh dưỡng được tiêu thụ với lượng lớn cho sự phát triển của
vi sinh vật. Trong điều kiện kỵ khí, ammonia và nitơ hữu cơ là nguồn nitơ chính để
vi sinh vật phát triển [3,23].
+ Lượng phosphor: do vi sinh vật tiêu thụ trong hệ xử lý kỵ khí được xác định
vào khoảng 1/5 đến 1/7 nhu cầu về nitơ nên phần lớn vi sinh vật đều có khả năng sử
dụng phosphor vơ cơ, hấp thụ vào các tế bào đang sinh trưởng nhờ enzyme
phosphatase [1,3,15].

Học viên: Ngơ Mạnh Túc

12

Cao học Hóa K25 - KTHH

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

+ Sulfur cần thiết cho việc tổng hợp protein trong tế bào và trong mơi trường kỵ
khí, sulfide (H2S) và cystein là nguồn sulfur chủ yếu cho vi sinh vật phát triển. Tuy
nhiên, H2S có tác động ức chế với nhiều nhóm vi sinh vật, bao gồm cả methanogen
(ở nồng độ  200 ppm), do vậy, sự có mặt của hợp chất này trong bể biogas phải
được kiểm soát ở mức thấp nhất [3,15].
- Ảnh hưởng của pH và khả năng đệm: pH trong hầm nên được điều chỉnh ở
mức 6,6 - 7,6 và tối ưu trong khoảng 7,0 - 7,2. Vi khuẩn tạo acid có thể chịu được
pH thấp đến 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methan bị ức chế ở pH thấp và dừng hoạt động
ở pH < 6,0. Trong quá trình hoạt động, giá trị pH của hầm biogas có khi hạ thấp hơn
6,6 do sự tích tụ q độ các acid béo khi hầm ủ bị nạp quá tải, hoặc do độc tố trong
nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn tạo methan. Trong trường hợp pH
của hệ xử lý giảm xuống dưới mức cho phép, cần có biện pháp hỗ trợ để pH có thể
phục hồi bằng cách bổ sung một số hóa chất có tính kiềm cao như thạch cao (lime),
ammonium khan, NaOH, NaHCO3, Na2CO3 [3,15].
- Các chất ức chế khác: Trong thực tế, các loại thuốc hóa học như thuốc trừ sâu,
chất kháng sinh, nước xà phịng, thuốc nhuộm, dầu nhờn khơng được phép đổ vào
bể biogas. Bên cạnh đó, hoạt động của vi khuẩn cũng chịu ảnh hưởng của một số
các độc tố như các kim loại nặng (mức độc hại đối với methanogen theo thứ tự Ni >
Cu > Cd > Cr > Pb), một số chất độc khác như cyanide, sulfide, tannin... Khi hàm
lượng của các loại này có trong dịch thủy phân vượt quá một giới hạn nhất định sẽ
giết chết các vi khuẩn. Những yếu tố ức chế đến q trình tạo biogas có oxy hịa tan,
các hợp chất hydrocarbon chứa halogen, các hợp chất thơm, các hợp chất acid béo
dễ bay hơi Volatile fatty acids (VFA), kim loại nặng, trong đó, thường gặp hơn cả là
ức chế do amoniac, sulfide và VFA.
+ Ức chế do amoniac: Sự có mặt của amoniac bicarbonate có lợi cho bể phản

ứng, vừa có tác dụng như nguồn nitơ, vừa có tác dụng đệm khi pH thay đổi. Tuy
nhiên, cả ammonia ion (NH4+) lẫn amoniac tự do (NH3) có thể ức chế q trình
phân hủy nếu có mặt ở nồng độ cao. Hai dạng này cân bằng nhau, trong đó, nồng độ
mỗi loại phụ thuộc vào pH của môi trường theo cân bằng dưới đây:
NH4+ ↔ NH3 + H+

Học viên: Ngô Mạnh Túc

13

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

Khi nồng độ ion H+ cao, cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trái, có nghĩa là tác
động ức chế do nồng độ amonia (NH4+) cao. Ở pH cao, nồng độ ion H+ giảm và cân
bằng dịch chuyển về bên phải, khi đó NH3 có thể trở thành chất ức chế. Nhiều
nghiên cứu cho thấy nồng độ NH3 trên 150 mg/L là độc hại đối với vi sinh vật sinh
methan, trong khi đó, giới hạn an tồn của NH4+ khoảng 3000 ppm [3,15].
+ Ức chế do sulfur: Tác động ức chế do sulfur là yếu tố thường gặp trong các
bể xử lý kỵ khí. Sulfur được sinh ra do q trình khử sinh học sulfate và các hợp
chất có chứa sulfur và quá trình phân hủy các hợp chất giàu protein [3,15]. Q
trình lên men kỵ khí bị ức chế ở nồng độ sulfur  200 ppm [3,15].
+ Ức chế của VFA (Volatile Fatty Acids): VFA là các acid béo dễ bay hơi
được sinh ra trong quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ như protein, dầu mỡ
động vật…Trong môi trường acid và thiếu oxy, VFA và glucose là những cơ chất
cho vi khuẩn khử sulfate chuyển hóa để tạo ra sulfie theo phản ứng:

CH3COOH + 2H+ + SO42- → H2S + 2H2O + 2CO2
Như vậy, lượng VFA càng lớn thì H2S tạo ra càng nhiều, pH càng giảm sâu thì
hệ vi sinh vật sinh methan hoạt động càng kém đi.
- Nhiệt độ: Vi khuẩn sinh methan chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi
trường. Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 -40˚
C. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi nhiệt độ đột ngột làm cho quá trình sinh methan yếu
đi. Nhiệt độ mơi trường phân hủy xuống dưới 10˚ C thì quá trình phân hủy gần như
ngừng lại. Vì vậy, ở những vùng lạnh, cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ ấm cho
thiết bị. Xây cơng trình hầm dưới đất là biện pháp tốt nhất để giữ ổn định nhiệt độ
cho môi trường phân hủy. Đôi khi, ở những quá trình lên men nhanh, người ta phải
gia nhiệt cho dịch lên men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men.
- Ảnh hưởng của thời gian lưu:
+ Trong thực tế, quá trình phân hủy của nguyên liệu trong điều kiện nhiệt độ
khí quyển xảy ra với tốc độ chậm vì điều kiện nhiệt độ khơng thuận lợi: thấp hơn
nhiệt độ tối ưu (37˚C). Đối với phân động vật, thời gian phân hủy hồn tồn có thể
kéo dài tới vài tháng. Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian kéo dài tới hàng năm.
Tuy nhiên, tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau, tốc độ sinh khí càng
giảm. Q trình phân hủy của ngun liệu xảy ra trong một thời gian nhất định.
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

14

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

+ Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong bể phân hủy của thiết bị

khí sinh học. Chính trong thời gian này, nguyên liệu bị phân hủy kỵ khí và sinh khí
methan. Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày. Khi một
lượng nguyên liệu mới nạp vào, nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và đẩy dần
nguyên liệu cũ về phía lối ra. Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy
qua thiết bị từ lối vào cho tới lối ra. Thời gian này được tính bằng tỷ số giữa thể tích
phân hủy và thể tích nguyên liệu nạp bổ sung hàng ngày. Thời gian lưu thích hợp
nhất là thời gian sao cho 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.
- Độ ẩm: đạt 91,5 – 96,0 % thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methan phát triển,
độ ẩm lớn hơn 96 % thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng khí sinh ra
thấp.
- Hầm ủ: khả năng sinh khí từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
+ Thể tích của hầm ủ biogas
+ Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm
+ Thời gian lưu lại của dịch thủy phân
+ Tỉ lệ phần nước trong dịch thủy phân - q lỗng thì lượng thủy phân khơng
đủ để phân hủy, ngược lại, quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở q trình thốt khí.
1.3.

Cơng nghệ phân hủy kỵ khí
Cơng nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ

những năm 1960. Cho tới nay, công nghệ chỉ phát triển chủ yếu ở quy mô chăn nuôi
hộ phân tán nhỏ lẻ, thực hiện ở điều kiện đơn giản, chất lượng khí biogas thấp chưa
tận thu được triệt để năng lượng. Trong khoảng một thập niên gần đây, cơng nghệ
khí sinh học cơng nghiệp đã bắt đầu được áp dụng rải rác ở một số nơi. Các lĩnh vực
áp dụng bao gồm: xử lý chất thải chăn nuôi, xử lý chất thải công nghiệp, xử lý rác
thải đơ thị [3,20,22]. Tuy nhiên, các cơng trình xử lý cũng chỉ chủ yếu dừng lại ở
khâu giải quyết xử lý nước thải chứ chưa thể xử lý chất thải rắn, ngồi ra, khí sinh
học chưa được tận dụng triệt để, chưa có vai trị trong việc cung cấp năng lượng

sạch cho sản xuất công nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu là do chất lượng nguồn khí
sinh học cịn thấp, cả về hàm lượng khí methan, cũng như độ tinh sạch, dẫn đến việc
năng lượng sinh ra khí đốt cũng không cao, hiệu suất thấp, không đảm bảo yêu cầu
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

15

Cao học Hóa K25 - KTHH


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ

năng lượng phục vụ cho sản xuất quy mơ lớn. Chính vì vậy, việc tìm các điều kiện
để tối ưu quá trình xử lý chất thải rắn sinh biogas là điều quan trọng, nhằm xử lý
triệt để nguồn thải, đồng thời, tạo ra khí biogas có chất lượng cao, đáp ứng được
yêu cầu sản xuất, cũng như sinh hoạt.
Các phương pháp tiến hành phân hủy kỵ khí
Trên thế giới, hiện nay, cơng nghệ lên men kỵ khí được tiến hành theo nhiều
phương pháp và nhiều mơ hình, có thể phân loại như sau:
- Theo giai đoạn: hệ thống lên men kỵ khí 1 giai đoạn, kỵ khí 2 giai đoạn, 3
giai đoạn, 4 giai đoạn.
- Theo tải trọng nguyên liệu nạp: Lên men ướt (nguồn nguyên liệu có độ ẩm
dưới 75 %); lên men khơ (nguồn ngun liệu có độ ẩm trên 75 %)
- Theo phương pháp tiến hành: bể dạng khuấy liên tục CSTR một giai đoạn và
hai hoặc nhiều giai đoạn, bể dạng ống dòng PER, bể UASB, bể tự hoại [2,7,16].

Hình 3: Bể UASB

Hình 4: Bể tự hoại

Hình 5: Hệ thống lên men kị khí
1 giai đoạn
Học viên: Ngơ Mạnh Túc

Hình 6: Hệ thống lên men kị khí
2 giai đoạn
16

Cao học Hóa K25 - KTHH