Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu kỹ thuật làm sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----------------------------

Tơn Nữ Thị Phương Vi

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DUNG DỊCH HẤP THỤ
Ba(OH)2

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 7/2020


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----------------------------

Tơn Nữ Thị Phương Vi

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DUNG DỊCH HẤP THỤ
Ba(OH)2
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 8520320
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Văn Mạnh

Hà Nội, 7/2020


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan các nội dung được trình bày trong ḷn văn tớt nghiệp
“Nghiên cứu kỹ tḥt làm sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng dung
dịch hấp thụ Ba(OH)2” là nghiên cứu của cá nhân tôi, trên cơ sở một số dữ
liệu, số liệu được tham khảo. Những tài liệu được sử dụng tham khảo trong
luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo. Các sớ liệu, kết quả
trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra.
Hà Nội, tháng 7 năm 2020
Sinh viên Tôn Nữ Thị Phương Vi


Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, xin chân thành gửi lời cám ơn đến Ban lãnh đạo Viện
Công nghệ Môi trường và Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần bia Sài Gòn – Miền
Trung đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tơi hoàn thành các chương trình
học tại học viện.

Luận văn tốt nghiệp được thực hiện tại Hệ thống lên men yếm khí bùn
thải, sinh khí sinh học để phát điện và bùn thải sau lên men được thu gom sản
xuất làm phân bón hữu cơ. Đây là đề tài phới hợp giữa Cơng ty CP bia Sài
Gịn – Miền Trung và Viện Cơng nghệ Mơi trường. Do đó, tôi được tạo điều
kiện học tập, nghiên cứu cùng các chuyên gia của Viện khi triển khai xây
dựng dự án, vận hành thử nghiệm và sản xuất. Đây là cơ sở để thực hiện các
nội dung nghiên cứu của cá nhân tôi.
Xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đỗ Văn Mạnh, phó viện
trưởng Viện Cơng nghệ Mơi trường đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong
śt q trình học tập và làm khóa ḷn.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Học viện nói
chung, các thầy cơ trong khoa Kỹ tḥt mơi trường nói riêng đã truyền đạt
nhiều kiến thức bổ ích chun ngành, giúp em nắm bắt được cơ sở lý thuyết
và tạo điều kiện giúp đỡ trong śt q trình học tập.
Cuối cùng, em xin chúc Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, Ban
lãnh đạo Công ty Cổ phần bia Sài Gịn – Miền Trung và các thầy cơ giáo sức
khỏe, thành công.
Sinh Viên
Tôn Nữ Thị Phương Vi


i

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................... 5
1.1. TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ THU HỒI KHÍ
SINH HỌC ........................................................................................................ 5
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC ......................... 10
1.2.1 Hydrogen sulphide (H2S) ................................................................... 11
1.2.2. Siloxane ............................................................................................. 12

1.2.3. Cacbonic (CO2) ................................................................................. 14
1.2.4. Amoniac (NH3) ................................................................................. 14
1.3. TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC ......... 15
1.3.1 Loại bỏ H2S và NH3 bằng phương pháp hóa lý ................................. 15
1.3.2 Các phương pháp loại bỏ Siloxan ...................................................... 27
1.3.3 Loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học........................................... 30
1.3.4 Một sớ phương pháp phổ biến làm sạch khí sinh học trên thế giới ... 37
1.3.5 Công nghệ làm sạch khí sinh học tại Việt Nam................................. 41
1.4. CƠNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ SINH HỌC BẰNG THIẾT BỊ LY TÂM
TRỌNG LỰC TỐC ĐỘ CAO ........................................................................ 43
1.5. HÓA CHẤT SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH KHÍ
SINH HỌC ..................................................................................................... 46
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 48
2.1.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................... 48
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 48
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu........................................................................... 48
2.2. GIỚI THIỆU MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................ 48
2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................... 53
2.2.1. Quy trình thí nghiệm ......................................................................... 53


ii
2.2.2. Các nội dung nghiên cứu .................................................................. 59
2.2.2.1. Nội dung 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch
hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2....................................................... 59
2.2.2.2. Nội dung 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay của thiết
bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 ................................................. 60
2.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dịng khí đến hiệu suất loại
bỏ H2S và CO2 ................................................................................................. 60

2.2.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tớc độ dịng dung dịch đến hiệu
suất loại bỏ H2S và CO2 .................................................................................. 61
2.2.2.5. Nội dung 5. Đánh giá độ bão hòa của dung dịch hấp thụ
Ba(OH)2 theo thời gian.................................................................................... 62
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................ 63
2.3.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 63
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ................................................... 64
2.3.3. Phương pháp kế thừa......................................................................... 66
2.3.4. Phương pháp chuyên gia ................................................................... 67
2.3.5. Phương pháp tính tốn ...................................................................... 67
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO ḶN ............................................... 68
3.1 MƠ HÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN YẾM KHÍ TẠI NHÀ
MÁY ............................................................................................................... 68
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ DUNG
DỊCH HẤP THỤ ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2 ............... Error!
Bookmark not defined.
3.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ QUAY CỦA
THIẾT BỊ HGRPB ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2 ................... 74
3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ DỊNG KHÍ
ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2 ................................................... 77
3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ DÒNG
DUNG DỊCH ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2 ............................ 79


iii
3.5. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BÃO HÒA CỦA DUNG DỊCH HẤP THỤ
Ba(OH)2 THEO THỜI GIAN ......................................................................... 82
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 90

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EDTA

Etylenediaminetetraacetic axetic

HEDTA

Axithydrôxy-ethylethylenediaminetriacetic

HGRPB

Thiết bị quay ly tâm tốc độ cao (High Gravity Rotating
Packed Bed)

QG/QL

Tỉ lệ giữa lưu lượng khí vào và lưu lượng dung dịch hấp thụ

rpm

Vịng/phút (revolutions per minute)

COD

Nhu cầu oxy hóa học

SCOD

Nhu cầu oxy hóa học hịa tan

STOC

Tổng cacbon hữu cơ hịa tan

TC

Cacbon tổng số

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TOC

Tổng cacbon hữu cơ

TS

Tổng chất rắn

TXLNT

Trạm xử lý nước thải

VS

Chất rắn bay hơi

XLNT

Xử lý nước thải


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần và tính chất của khí sinh học ....................................... 9
Bảng 1.2. Một sớ phương pháp làm sạch CO2 từ hỗn hợp biogas ................ 38
Bảng 1.3.Một số phương pháp làm sạch H2S từ hỗn hợp biogas .................. 39
Bảng 2.1. Giá trị đặc trưng của bùn hữu cơ sử dụng trong nghiên cứu .. Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.2. Chất lượng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho máy phát điện..... 56
Bảng 2.3. Các thông số của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa nồng độ
dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2...................................... 59
Bảng 2.4. Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa tốc độ quay
của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 .................................. 60
Bảng 2.5. Các thông sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tớc độ
dịng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 .................................................... 61
Bảng 2.6. Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tớc độ
dịng dung dịch đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2.......................................... 61
Bảng 2.7. Đánh giá độ bão hòa của dung dịch hấp thụ theo thời gian ........... 62
Bảng 2.8. Các bước thực hiện các thí nghiệm làm sạch khí......................... 622
Bảng 2.9. Các thơng sớ và phương pháp phân tích thành phần biogas .......... 66


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Q trình phân hủy kị khí ................................................................ 6
Hình 1.2. Sơ đồ q trình phân hủy kị khí chất thải hữu cơ ............................ 6
Hình 1.3. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dịng ngược ................................. 18
Hình 1.4. Loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc sinh học ................................ 31
Hình 1.5. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dịng ngược ................................. 33
Hình 1.6. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dịng ngược ................................. 34
Hình 1.7. Hiệu suất loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học ....................... 35
Hình 1.8. Sơ đồ ứng dụng của khí sinh học . Error! Bookmark not defined.2
Hình 1.9. Thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB dùng trong nghiên cứu Error!
Bookmark not defined.4
Hình 1.10. Nguyên lý của thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB dùng trong
nghiên cứu ....................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải của nhà máy ............................ 570
Hình 2.2. Sơ đồ mơ hình xử lý bùn yếm khí tại nhà máy ............................ 572
Hình 2.3. Thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB thực tế tại pilot ................. 574
Hình 2.4. Bớ trí thí nghiệm nghiên cứu ........................................................ 575
Hình 2.5. Túi chứa biogas thô (bên phải) và túi chứa biogas tinh (bên trái) 576
Hình 2.6. Bồn chứa và máy khuấy trộn hóa chất ........................................... 57
Hình 2.7. Động cơ quay ly tâm biến tần......................................................... 57
Hình 2.8. Máy thổi khí ................................................................................... 58
Hình 2.9. Lưu lượng kế đo khí ....................................................................... 58
Hình 2.10. Bơm hóa chất ................................................................................ 58
Hình 2.11. Lưu lượng kế đo hóa chất ............................................................. 58
Hình 2.12. Đo nhanh chất lượng khí biogas tại hiện trường .......................... 65


vii
Hình 2.13. Lấy mẫu khí biogas vào túi chứa.................................................. 65

Hình 2.14. Đo pH dung dịch hấp thụ tại hiện trường ..................................... 66

Hình 3.1. Các hạng mục trong dây chuyền cơng nghệ của đề tài ................ 72
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ
H2S, CO2 .......................................................................................................... 73
Hình 3.3. Ảnh hưởng tớc độ quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ
H2S, CO2 .......................................................................................................... 76
Hình 3.4. Ảnh hưởng của tớc độ dịng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S, CO2... 78
Hình 3.5. Ảnh hưởng của tớc độ dịng dung dịchđến hiệu suất loại bỏ H2S,
CO2 .................................................................................................................. 81
Hình 3.6. Độ bão hịa của dung dịch hấp thụ theo thời gian .......................... 83


viii


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng và mơi trường là vấn đề có tác động, ảnh hưởng không nhỏ
đến tất cả các lĩnh vực, bao gồm: kinh tế, chính trị, văn hóa, an ninh, xã hội …
của tất cả các quốc gia trên thế giới. Đặc biệt, trong tình hình nguồn năng
lượng hóa thạch đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành
hiểm họa đới với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở thành mối quan tâm
hàng đầu của cả thế giới. Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm mơi
trường ln là mục tiêu nghiên cứu chính, song hành cùngquá trình phát triển
kinh tế - xã hội của đất nước. Song song với việc hoàn thiện các hệ thống sử
dụng để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ơ nhiễm
mơi trường thì các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng sạch,

năng lượng tái sinh và nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng này là
việc rất cần thiết.
Trong các nguồn nhiên liệu thay thế, khí sinh học (Biogas) là nguồn
năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn và đang được khuyến khích phát triển
tại Việt Nam. Việc sản xuất biogas bằng phương pháp phân hủy kị khí từ các
chất thải hữu cơ là giải pháp mang lại lợi ích nhiều mặt, vừa tận thu được
nguyên liệu phục vụ tái sản xuất, giảm thể tích chất thải cần chơn lấp, đồng
thời khí biogas thu được dùng làm nhiên liệu, chạy máy phát điện. Thành
phần chủ yếu của biogas là khí metan (CH4) và khí cacbonic (CO2), ngồi ra
cịn có các tạp chất khác như khí hydro sulfua (H2S), hơi nước (H2O), khí
amoniac (NH3), .... Chất lượng khí biogas phụ thuộc vào hàm lượng CH4
trong hỗn hợp biogas và độ tinh khiết của hỗn hợp khí. Nếu khí biogas được
lọc sạch các tạp chất, chúng sẽ nhận được nhiên liệu có tính chất tương tự như
khí thiên nhiên (biomethane). Việc chuyển đổi biogas thành biomethane nói
chung bao gồm hai bước chính: q trình làm sạch để loại bỏ các thành phần
ơ nhiễm như: H2S, H2O, NH3, … q trình nâng cấp để tăng giá trị nhiệt đáp
ứng cho phát điện. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho phép giải quyết đồng
thời vấn đề ô nhiễm khi sản xuất biogas và thay thế nhiên liệu truyền thống.


2
Tại Việt Nam, trong 10 năm trở lại đây đã có nhiều nghiên cứu và ứng
dụng thực tế về thu khí biogas bằng q trình phân hủy kị khí nước thải, phân
gia súc, gia cầm, dùng để đun nấu và chạy máy phát điện ở quy mơ hộ gia
đình và trang trại.Tuy nhiên, các đầu công suất phát điện đều ở mức thấp,
thiết bị tách lọc khí chưa đạt hiệu quả cao, dẫn đến các thiết bị hay gặp sự cớ
và bị ăn mịn, nhanh hỏng, từ đó ảnh hưởng đến công suất phát điện .
Việc kết hợp với đối tác Đài Loan trong việc xử lý bùn thải bằng
phương pháp lên men kị khí, sinh khí biogas với hiệu suất cao, xây dựng quy
trình lọc khí biogas triệt để, tạo ra nguồn khí biogas chất lượng để chạy máy

phát điện với công suất lớn không chỉ mang ý nghĩa kinh tế - mơi trường - xã
hội mà cịn tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực khoa học công
nghệ nước nhà, tạo ra một sự phát triển bền vững, thân thiện môi trường trong
bối cảnh ô nhiễm toàn cầu đang ở mức báo động và biến đổi khí hậu đã, đang
và sẽ mang lại những hậu quả khơn lường cho người dân.
Trên cơ sở đó, trong phạm vi luận văn tốt nghiệp, tác giả đề xuất đề tài:
“Nghiên cứu kỹ thuật làm sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng
dung dịch hấp thụ Ba(OH)2” nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình làm sạch
thành phần các khí CO2 và H2S trong hỗn hợp khí biogas bằng kỹ thuật quay
ly tâm tốc độ cao sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2. Thông qua kết quả
nghiên cứu, sẽ lựa chọn được bộ các thông số tối ưu trong vận hành để đảm
bảo hiệu quả làm sạch khí cao nhất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
a. Mục tiêu chung:
Làm sạch khí sinh học giúp cải thiện chất lượng khí sinh học phát sinh,
tận thu và đưa vào sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ phát điện phục vụ hoạt
động sản xuất.
- Góp phần giảm thiểu khới lượng sử dụng các nhiên liệu hóa thạch dùng làm
chất đớt trong nhà máy hiện nay.
- Tận dụng chất thải để chuyển hóa thành năng lượng sạch phục vụ đời sống
sinh hoạt, sản xuất và cải thiện chất lượng môi trường.
b. Mục tiêu cụ thể:


3

Nghiên cứu, lựa chọn các yếu tớ thích hợp cho quá trình làm sạch
biogas bằng phương pháp sử dụng thiết bị làm sạch là máy ly tâm tâm tốc độ
cao HGRPB với dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 nhằm nâng cao hiệu suất phát
điện và phục vụ định hướng ứng dựng trên quy mô phát điện công nghiệp tại

đơn vị.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Khí sinh học (biogas) sinh ra từ hệ thớng phân hủy bùn yếm khí.
- Hệ thí nghiệm làm sạch khí.
3. 2. Phạm vi nghiên cứu
- Trong giới hạn luận văn, phạm vi nghiên cứu được xác định:
+ Khí biogas sinh ra từ hệ thớng phân hủy yếm khí bùn thải công suất
tối đa 80 m3/ngđ tại Nhà máy bia Sài Gịn- Đắk Lắk, thuộc cơng ty Cổ phần
Bia Sài Gịn – Miền Trung.
+ Các thơng sớ của q trình làm sạch khí biogas: nồng độ dung dịch
hấp thụ (CBa(OH)2); tớc độ quay của thiết bị HGRPB (); tớc độ dịng khí
biogas (QG) và tớc độ dịng dung dịch (QL).
+ Độ bão hịa của dung dịch hấp thụ trong q trình làm sạch khí
biogas theo thời gian.
- Thời gian nghiên cứu: tháng 10/2018 đến tháng 2/2020.
- Địa điểm tiến hành thí nghiệm: mơ hình thí nghiệm tại khn viên
Nhà máy bia Sài Gịn- Đắk Lắk, thuộc cơng ty Cổ phần Bia Sài Gịn – Miền
Trung, địa chỉ: sớ 01 Nguyễn Văn Linh, thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk
Lắk.
Nghiên cứu làm sạch biogas bằng kỹ thuật ly tâm tốc độ cao HGRPB
sử dụng dung dịch Ba(OH)2 quy mô 80 m3 và hệ thống xử lý nước thải công
suất 600 m3/ngđ để cung cấp khí biogas cho máy phát điện 20 kWh.
4. Phương pháp nghiên cứu:


4
- Phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp lấy mẫu
- Phương pháp phân tích

- Phương pháp kế thừa
- Phương pháp tính toán
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Kết quả đề tài là sự thành công việc ứng dụng khoa học vào thực tiễn,
đặc biệt trong cơng nghệ làm sạch khí bằng thiết bị làm sạch khí sinh học, làm
tăng khả năng ứng dụng thiết bị này vào thực tiễn với các thông số vận hành
hợp lý, đem lại hiệu quả xử lý cao.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ THU HỒI KHÍ
SINH HỌC
Ngày nay, hệ thớng phân hủy kị khí được sử dụng rộng rãi để xử lý các
chất thải rắn, bao gồm chất thải nông nghiệp, phân động vật, bùn từ các trạm
xử lý nước thải và chất thải đơ thị. Ước tính hàng triệu hệ thớng phân hủy kị
khí được xây dựng trên toàn thế giới. Hệ thớng phân hủy kị khí cũng được sử
dụng hiệu quả trong xử lý chất thải nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm và
nước giải khát, ở các nước phát triển và đang phát triển.
Trong các hệ thớng kị khí, hầu hết các chất hữu cơ bị phân hủy sinh học
có trong chất thải được chuyển đổi thành khí sinh học (70 ÷ 90%), từ pha
lỏng và bể phản ứng ở dạng khí. Chỉ một phần nhỏ chất thải hữu cơ được
chuyển đổi thành sinh khối vi sinh vật (5 ÷ 15%), sau đó tạo thành bùn thừa
của hệ thống, bùn này đặc hơn. Chất thải không chuyển hóa thành khí sinh
học hoặc vào sinh khới ra khỏi hệ thống xử lý là chất thải không bị phân hủy
(10 ÷ 30%).
Kết quả nghiên cứu của Lettinga (1995) đã nhấn mạnh sự cần thiết phải
thực hiện các hệ thống bảo vệ môi trường kết hợp, để làm hài hoà việc xử lý
nước thải, thu hồi và tái sử dụng các sản phẩm phụ của nó. Cách tiếp cận này

đặc biệt phù hợp với các nước đang phát triển, nơi có nhiều vấn đề nghiêm
trọng về mơi trường, tình trạng thiếu nhân lực và năng lượng và thường là
không đủ khả năng sản xuất lương thực. Do đó, phân hủy kị khí trở thành giải
pháp thích hợp nhất để xử lý nước thải và thu hồi các sản phẩm phụ, như
minh họa trong Hình 1.1.


6

Hình 1.1. Q trình phân hủy kị khí

Chất thải hữu cơ phức tạp
Cacbohydrat, protein, chất béo
1. Thủy phân
Phân tử hữu cơ hịa tan
Đường, amino axit, axit béo
2. Axit hóa

Axit béo dễ bay hơi

3. Acetat hóa
Axit acetic

H2, CO2

4. Methane hóa
CH4 + CO2

Hình 1.2. Sơ đồ q trình phân hủy kị khí chất thải hữu cơ

7
 Giai đoạn 1: Thủy phân
Dưới tác dụng của enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu
cơ có phân tử lượng lớn như protein, lipit, hydrocacbon … sẽ bị phân hủy
thành các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn và phần lớn đều dễ tan trong
nước như đường, amino axit, axit béo, axit hữu cơ … như phản ứng (1); (2);
(3); (4) và (5) thể hiện ở dưới đây:
(1) Hợp chất cao phân tử + H2O → Hợp chất thấp phân tử + H2
(2) Lipids → Axit béo
(3) Polysaccharide → Monosaccharide
(4) Protein → Amino axit
(5) Axit nucleic → Purine + Pyrimidin
 Giai đoạn 2: Axit hóa
Các sản phẩm của q trình thủy phân sẽ được vi sinh vật hấp thụ và
chuyển hóa. Các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, các rượu và các chất trung
tính khác cũng được hình thành do q trình lên men đường, do phân giải axit
và do khử amin. Ngoài ra một sớ khí cũng được tạo thành như CO2, H2S, H2,
NH3 và một lượng nhỏ CH4, nếu trong nước thải giàu protein thì cịn sinh ra
các khí độc như mercaptan, scatol, indol … Trong quá trình lên men các axit
hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng khử hoặc bằng thủy phân để tạo
NH3 và NH4+, một phần sẽ được vi sinh vật sử dụng để tạo sinh khới, phần
cịn lại thường tồn tại dưới dạng NH4+.
Thành phần và tính chất của các sản phẩm trong giai đoạn này phụ
thuộc nhiều vào bản chất của các chất ô nhiễm, điều kiện môi trường và tác
nhân sinh học. Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn này sẽ ảnh
hưởng đến giai đoạn tiếp theo. Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn này bao
gồm phản ứng (6) và (7).
(6) C6H12O6 + 2H2 → 2CH3CH2COOH + 2H2O
(7) C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

 Giai đoạn 3: Acetat hóa
Các sản phẩm lên men như axit béo, axit lactic … sẽ được từng bước
chuyển hóa đến axetic. Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn này bao gồm
phản ứng (8); (9); (10) và (11).
(8) CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + H+ + HCO3- + 3H2
(9) C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2


8
(10) CH3CH2OH + 2H2O → CH3COO- + 2H2 + H+
(11) 2HCO3- + 4H2 + H+ → CH3COO- + 4H2O
Giai đoạn 4: Metan hóa
Đây là giai đoạn ći cùng và cũng là giai đoạn quan trọng nhất trong
toàn bộ quá trình xử lý yếm khí đặc biệt là trong điều kiện xử lý có thu khí
biogas. Các sản phẩm thu được từ giai đoạn trước sẽ được khí hóa nhờ các vi
khuẩn methane hóa được gọi chung là Methanogens. Các vi sinh vật này có
đặc tính chung là chỉ hoạt động trong mơi trường yếm khí nghiêm ngặt. Tớc
độ sinh trưởng và phát triển của chúng chậm hơn nhiều so với các chủng vi
sinh vật khác.Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn này bao gồm phản ứng
(12); (13); (14); (15); (16) và (17).
(12) 2CH3CH2OH + CO2 → 2CH3COOH + CH4
(13) CH3COOH → CH4 + CO2
(14) CH3OH → CH4 + H2O
(15) CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
(16) CH3COO- + SO42- + H+ → 2HCO3 + H2S
(17) CH3COO- + NO- + H2O + H+ → 2HCO3 + NH4+
Như vậy sản phẩm ći cùng nhận được trong chu trình phân hủy kị
khí chất thải hữu cơ là biogas với thành phần chính là khí CH4 và CO2. Biogas
có thể được sử dụng để sản xuất điện năng, nấu nướng, sưởi ấm, đun nước
nóng hay cấp nhiệt. Trong sử dụng thơng thường, 1m3 biogas tương đương:

Thắp sáng bóng đèn có cơng suất 60 -100 W trong 6 giờ; nấu 3 bữa ăn cho 1
gia đình 5 -6 người; thay thế 0,7 kg xăng dầu; chạy động cơ 1 mã lực trong 2
giờ; Sản xuất 1,25 kWh điện bằng động cơ nhiệt. Chất thải hữu cơ từ các
nguồn khác nhau có thể sử dụng để sản xuất biogas. Quá trình sử dụng biogas
làm nhiên liệu khơng làm tăng CO2 trong bầu khí quyền.
Thành phần và tính chất của khí sinh học thu được sau q trình phân
hủy kị khí chất thải hữu cơ được trình bày trong Bảng 1.1


9
Bảng 1.1. Thành phần và tính chất của khí sinh học
Thành phần

Tỉ lệ theo thể tích

Methane (CH4)

55 - 70%

Carbon dioxide (CO2)

30 - 45%

Hơi nước

1 - 5%

Ammonia (NH3)

0 - 0,05%

Hydrogen Sulphide (H2S)

0 - 0,5%

Nitrogen (N2)

0 - 5%

Giá trị năng lượng

6,0 - 6,5 kWh/m3

Nhiên liệu tương đương

0,60 - 0,65 lít dầu/m3 biogas

Giới hạn nổ

6 - 12% biogas trong khơng khí

Nhiệt độ đánh lửa

650 – 750°C

Áp suất tới hạn

75 - 89 bar

Nhiệt độ tới hạn

-82,5°C

Mật độ chuẩn

1,2 kg/m3

Mùi

Trứng thới

Trọng lượng phân tử

16,043 kg/kmol

Khí sinh học (biogas) là một hỗn hợp của một số loại khí khác nhau
được tạo ra bởi sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong mơi trường yếm khí
với sự tham gia chính của các nhóm vi khuẩn sản sinh mêtan (methanogen)
hoặc vi sinh vật phân hủy yếm khí. Khí biogas có thể được sản xuất từ các
ngun liệu thô như rác thải nông nghiệp, phân, rác đô thị, nguyên liệu thực
vật, nước thải, chất thải xanh hoặc chất thải thực phẩm. Khí sinh học chủ yếu
là thành phần khí mêtan (CH4), cacbon dioxide (CO2), hydrogen sulphide
(H2S), độ ẩm và siloxan.


10
Khí sinh học cịn là một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị, có thể được
khai thác trực tiếp làm nhiên liệu hoặc làm nguyên liệu thô để sản xuất khí
tổng hợp hoặc hydro. Hàm lượng và chất lượng biogas thường phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như điều kiện lên men yếm khí, nguồn cơ chất để chuyển hóa, vi

sinh vật tham gia vào các q trình…. Do đó, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể
mà hàm lượng và thành phần khí sinh học có đặc trưng riêng, khí sinh học
được tạo ra trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt thường chứa 55÷65%
mêtan, 35÷45% CO2, nitơ < 1%, tuy nhiên khi được phân hủy với nguyên liệu
có nguồn gớc là hữu cơ thì hàm lượng CH4 60÷70%, 30÷40% CO2 và nitơ <
1%, trong khi đó biogas từ q trình chơn lấp rác lại có hàm lượng mêtan nhỏ
hơn 45÷55%, 5÷15% nitơ và một sớ những thành phần tạp chất khác.
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC (KHÍ BIOGAS)
Trong hỗn hợp khí sinh học được tạo ra từ q trình phân giải yếm khí
ngồi Mêtan (CH4) và cacbondioxit (CO2) là thành phần chính, thường chứa
một lượng đáng kể các chất không mong muốn (các tạp chất) như hydrogen
sulfide (H2S), amoniac (NH3) và các khí siloxan … Sự tồn tại và số lượng
của các tạp chất này phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sinh ra khí sinh học
(bùn thải, phế thải nông nghiệp, bãi chôn lấp rác sinh hoạt, q trình lên men
kị khí trong sản xuất phân bón...). Sự có mặt của các tạp chất này là một vấn
đề lớn do gây bất lợi cho thiết bị chuyển đổi nhiệt hoặc xúc tác nhiệt bằng khí
biogas (ví dụ như gây ăn mịn, xói mịn, gây lỗi); đồng thời chúng sản sinh ra
ra các khí phát thải có hại đới với mơi trường. Do đó, cần phải tinh chế làm
sạch khí sinh học trước khi đưa vào sử dụng tại các công đoạn tiếp theo. Tác
hại của một tạp chất điển hình như sau:
1.2.1. Hydrogen sulphide (H2S)
Hydrogen sulphide (H2S) là chất khí khơng màu, rất độc và dễ cháy.
H2S có mùi trứng thới và mùi hơi dễ phát hiện khi nồng độ nằm trong giới hạn
bé (0,05 - 500 ppm). H2S hòa tan trong nước tạo thành axit yếu. Khi cháy H2S


11
sinh ra SO2, chất gây ăn mòn mạnh (sulphuric acid) và gây ô nhiễm môi
trường (mưa acid). H2S là chất rất độc (tương đương với hydrogen cyanide)
với giới hạn gây độc thấp (khoảng 10 ppm H2S). Khi hàm lượng H2S trong

khơng khí đạt 1,2 - 2,8 mg/lít hay 0,1%, nó gây tử vong ngay lập tức. Khi
hàm lượng này đạt 0,6 mg/lít hay 0,05% nó có thể gây chết người trong vịng
30 phút đến 1 giờ.
H2S được hình thành trong hầm khí sinh học do sự chuyển đổi protein
của các chất có chứa lưu huỳnh. Các chất này có thể là protein thực vật và dư
lượng thức ăn gia súc. Tuy nhiên, khi phân động vật và con người được sử
dụng, vi khuẩn tiết ra trong ruột là nguồn chính của protein. Lưu huỳnh vô cơ,
đặc biệt là sulphates, cũng có thể được sinh hóa chuyển đổi thành H 2S trong
buồng lên men. Khi H2S cháy với tỉ lệ không khí/biogas đúng, chúng biến
thành lưu huỳnh: 2H2S + O2 → 2H2O + 2S
Khi oxygen trong hỗn hợp thừa, một phần hay toàn bộ H 2S biến thành
SO2. Ngay cả khi thành phần khơng khí/biogas đúng hoàn toàn, một bộ phận
H2S cũng biến thành SO2: 2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2
Do vậy, có thể nói H2S góp phần làm tăng nhiệt trị của biogas. Vấn đề
là khi SO2 gặp nước sẽ sinh ra axit: SO2 + H2O → H2SO3
H2SO3 là chất gây hại, nhưng nguy hại hơn khi oxygen tham gia vào
phản ứng để hình thành H2SO4: 2H2SO3 + O2 → 2H2SO4
Những phản ứng này hoàn toàn không mong muốn nên cần loại bỏ
H2S, đặc biệt là khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp ứng dụng, sự loại bỏ H2S cũng khơng phải bắt
buộc vì hàm lượng của chúng khơng lớn (nhỏ hơn 0,1%).
Tác hại của H2S đến sản xuất và sử dụng biogas có thể được tóm tắt
như sau: Trong hầm khí biogas, H2S hịa tan được chứa trong bùn lên men và
ở trạng thái cân bằng giữa H2S hịa tan và H2S thể khí. H2S hịa tan với nồng
độ cao có thể giết chết các vi khuẩn trong bùn, gây ức chế q trình sản xuất
khí sinh học và đó là nguyên nhân gây thay đổi thành phần khí biogas. Trong


12
trường hợp này cần cấp ít vật liệu giàu lưu huỳnh vào hầm sinh khí đồng thời

pha lỗng ngun liệu cần phân hủy bằng nước. Trong trường hợp ít nghiêm
trọng chỉ cần khuấy mạnh nguyên liệu bên trong bể phản ứng có thể loại bỏ
được H2S ra khỏi bùn.
Trong quá trình sử dụng, sự hiện diện của khí H2S trong biogas gây ăn
mòn các bộ phận kim loại. Sắt là đối tượng dễ bị tấn công bề mặt, mặc dù
không phải là ăn mòn lớn. Các bộ phận mạ kẽm cũng bị ăn mòn bề mặt tương
tự. Các chi tiết được chế tạo bằng kim loại màu, chẳng hạn như bộ ổn áp áp
lực, đồng hồ lưu lượng khí, van và giá đỡ … bị ảnh hưởng nghiêm trọng hơn
nhiều. Những vật liệu này thường bị ăn mòn rất nhanh.
Sản phẩm của quá trình cháy H2S là SO2 khi kết hợp với hơi nước sinh
ra axit, gây ăn mòn các bộ phận động cơ trong buồng đốt, hệ thống thải và các
chi tiết tiếp xúc với khí thải khác nhau. Tác hại càng trầm trọng hơn khi động
cơ khởi động thường xuyên, thời gian hoạt động ngắn và nhiệt độ tương đối
thấp khi bắt đầu khởi động và sau khi dừng động cơ. Thời gian đại tu đầu tiên
có thể giảm khoảng 10 - 15% đối với động cơ sử dụng biogas có chứa H2S so
với động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng. Mặt khác, khi sử dụng biogas có chứa
lưu huỳnh làm nhiên liệu, thời gian giữa hai lần thay dầu bôi trơn động cơ
cũng rút ngắn lại. Do SO2 trong sản phẩm cháy và hơi nước hòa tan trong dầu
bơi trơn nên dầu trở nên có tính axit và bị biến chất, làm mất khả năng bôi
trơn và đơi khi ăn mịn các chi tiết kim loại. Trong điều kiện đơng cơ sử dụng
nhiên liệu biogas có chứa lưu huỳnh hoạt động liên tục, khoảng thời gian giữa
2 lần thay dầu giảm 200 - 250 giờ so với khi làm việc bằng nhiên liệu không
chứa lưu huỳnh. Do đó việc loại bỏ H2S là cần thiết cho việc sử dụng biogas
ở công đoạn cuối.
1.2.2. Siloxane
Siloxane hiện diện trong nước thải chủ yếu có nguồn gớc từ các sản
phẩm vệ sinh, dầu gội đầu và những sản phẩm dùng chăm sóc tóc, mĩ phẩm
… Trong q trình xử lý nước thải, siloxane hấp thụ trong bùn hoạt

13
tính.Siloxane khơng bị phân hủy sinh học nhưng tích tụ trong bùn hoạt
tính.Hàm lượng siloxane trong bùn cao hơn đáng kể so với hàm lượng của
chúng trong nước thải (Dewil 2006).Trong q trình tiêu hóa bùn, siloxane
nhẹ chuyển thành pha khí. Phần siloxane nặng cịn lại trong bùn của hầm
biogas.Ước chừng 20 - 50% siloxane trong nước thải và trong bùn hoạt tính
có mặt trong biogas, phần cịn lại nằm trong chất thải của hầm sinh khí
(Kazouki 2007).Hàm lượng siloxane trong biogas của hầm sinh khí từ bùn
trạm xử lý nước thành phố khoảng từ 20 - 50 mg/m3. Hàm lượng siloxane
trong biogas từ bãi rác khoảng 10 - 30 mg/m3 (Dewil 2005).
Siloxane hữu cơ là hợp chất semi - volatile. Chúng khơng phản ứng hay
ăn mịn nhưng chúng chuyển sang silic cứng bám vào buồng cháy động cơ,
trên đầu xi lanh, ngăn cản dầu nhờn đến bôi trơn. Những hợp chất silicon hữu
cơ hiện diện trong biogas có thể gây hỏng hóc động cơ.Trong q trình cháy,
chúng bị oxi hóa thành oxide silicon bám vào bám vào bougie, xú páp và đầu
xi lanh. Lớp bám silicon trên đỉnh piston có màu trắng xám, chủ yếu là SiO 2
và kim loại. Động cơ đánh lửa cưỡng bức bị ảnh hưởng bởi siloxane lớn hơn
động cơ nhiên liệu kép.
Lớp bám SiO2 trên thành buồng cháy ảnh hưởng đến truyền nhiệt, tỉ số
nén động cơ. Mặt khác, một bộ phận silicon lọt x́ng carter làm bẩn dầu
nhờn.Vì vậy, dầu nhờn cần được thay thường xuyên hơn khi động cơ hoạt
động với nguồn biogas chứa nhiều siloxane. Turbine làm việc ở nhiệt độ cao
bị ảnh hưởng nặng nề bởi thành phần siloxane trong biogas.
Mặt khác, trong quá trình cháy, siloxane biến thành những hạt mài silic
gây mòn phần đầu xi lanh, xú páp. Bougie của động cơ đánh lửa cưỡng bức bị
chóng hỏng do silic bám vào cực. Những động cơ có bộ xúc tác có thể bị tê
liệt do lớp silic bám trên lớp kim loại hoạt tính. Những vấn đề này gây ảnh
hưởng lớn đối với động cơ đánh lữa cưỡng bức chạy bằng biogas ở tốc độ lớn
và nhiệt độ cao. Những động cơ nhiên liệu kép (tốc độ bé, nhiệt độ thấp) ít bị
ảnh hưởng bởi lớp bám silic.