Tài liệu Khái niệm khí Biogas và tổng quan về khí biogas pptx

I.Khái niệm khí Biogas và tổng quan về khí biogas:
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ
sự phân huỷ các vật chất hữu cơ. Methane cũng là một khí tạo ra hiệu ứng nhà kính gấp
21 lần hơn khí carbonic (CO2). Biogas là khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí
(còn gọi là kỵ khí).
Thành phần chính của Biogas là CH
4
(50 -60%) và CO
2
còn lại các chất khác như hơi
nước N
2
, O
2
, H
2
S, CO… được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt
độ từ 20_40
0
C.
1.Bản chất của phương pháp
kỵ khí:
Là các chất thải được phân hủy
nhờ các vi sinh vật (VSV) trong điều
kiện hoàn toàn không có oxy. Quá
trình này được phân chia làm 2 giai

đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ
cao phân tử được VSV chuyển
thành các các chất có trọng lượng
thấp hơn axit hữu cơ, đường,
glyxerin, (gọi chung là hydrat
cacbon)
Giai đoạn 2: là giai đoạn phát
triển mạnh các loài vi khuẩn metan
để chuyển hầu như toàn bộ các chất
hydrat cacbon thành CH
4
và CO
2
.
Đầu tiên là sự tạo thành các
axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ
rệt (lên men axit). Các axit hữu cơ và
hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy
tạo thành các hợp chất khác nhau và
các chất khí như CO
2
, N
2
, H
2
và cả
CH
4
(bắt đầu lên men metan). Các

VSV kỵ khí phát triển mạnh còn các
VSV hiếu khí bị tiêu diệt. Các vi
khuẩn metan phát triển rất mạnh và
chuyển hóa rất nhanh để tạo thành
CO
2
và CH
4
(giai đoạn lên men
metan cò gọi là lên men kiềm).

2. Các vi sinh vật trong bể Biogas
Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân
sử dụng và điều kịên nhiệt độ. Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas
như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan.
Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:
Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ
khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore). Theo A.R.Prevot, chúng có
mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus,
Terminosponus. Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO
2
, H
2
và
một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine.
Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn
sinh khí metan.
Nhóm vi khuẩn sinh khí metan:
Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch
và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ

(Family), 17 loài (Genus).
Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định. Do đó
việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan. Có như
vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để.
Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO
2
đầy
đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20
tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon.
Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không
phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó
có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh
dinh dưỡng, Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến
100%. (đối với Myobacterium ; thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày)
3. Cơ chế của sự tạo thành khí metan
Cơ chế 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO
2
, H
2
và
các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:
C
x
H
y
O
z
→ các axit hữu cơ, CO
2

, H
2

Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO
2
, H
2
tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn
metan:
CO
2
+ 4H
2
→ CH
4
+ 2H
2
O
CO + 3H
2
→ CH
4
+ H
2
O
4CO + 2H
2
→ CH
4
+ 3CO

2

4HCOOH → CH
4
+ 3CO
2
+ 3H
2
O
4CH
3
OH → 3CH
4
+ 2H
2
O + CO
2

CH
3
COOH → CH
4
+ H
2
O
Như vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của
enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym
cellulosase là phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn,
các chất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan
có khả năng đốt cháy sinh năng lượng.

II. HỆ THỐNG LỌC BIOGAS
21. Thiết bị tách H
2
S
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H
2
S [1], [3]. Chất này
được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô
nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác [2].
Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp
oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự
nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc
đốt để tăng tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như
sau:
Fe + 1/2 O
2
 FeO
2Fe + 3/2O
2
 Fe
2
O
3

3Fe + 2O
2
 Fe
3
O
4

Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
.
Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới
nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt
phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp
(hình 1).
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H
2
S
được tách ra theo các phản ứng sau:
Fe
2
O
3
+ 3H
2
S  Fe
2
S
3
+ 3H
2

O
Fe
3
O
4
+ 4H
2
S  FeS+Fe
2
S
3
+ 4H
2
O
FeO + H
2
S  FeS + H
2
O
Khả năng tách H
2
S của thiết bị giảm dần theo thời
gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày),
khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử
dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu
suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc
bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh
diễn ra như sau:
Fe
2

S
3
+ O
2
 Fe
2
O
3
+ 3S
FeS + O
2
 FeO

+ S
Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra
trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái
sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút.
Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO
2
:
Fe
2
S
3
+ 9/2O
2
 Fe
2
O
3

+ 3SO
2



Hình 2: Thiết bị tách H
2
S






Lối vào của biogaz
Lối ra của biogas
Lối vào
của nước
Lối ra
của nước
Đĩa đục lỗ
Đệm
Ống 23
Ống 
Thân 
Ống 
Ống 

250
0

15
0


Hình 3: Tháp tách CO
2

FeS + 3/2O
2
 FeO

+ SO
2
Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần.
Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được
cho vào thiết bị lọc (hình 2). Với lưu lượng biogas là 0,86 m
3
/h, khối lượng phoi sắt sử
dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài
200mm. Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H
2
S là 0,3mbar.
Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H
2
S cho nguồn khí biogas tại Trung
tâm bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và
sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%).

2.2. Tháp tách CO
2

Việc tách CO
2
ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính
chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyên lý của phương pháp
này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ
dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc
của khí và nước, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch
để làm đệm. Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử
dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp. Với kích
thước tháp tách CO
2
như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m
3
/h,
thành phần CO
2
ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO
2
ở đầu
ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO
2
là
47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO
2
là 5mbar.
Bảng 1: Hiệu quả lọc H
2

S
Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng

Trước xử
lý
Sau xử lý

Trước xử
lý
Sau xử lý

Hàm lượng
H
2
S (mg/l)
0,17 0,0005 0,20 0,001
ppm thể tích 112 0,33 132 0,66

III. Thiết kế hầm Biogas:
1. Loại hầm sinh khí kiểu vòm cố định:

Hình 4: Toàn cảnh thiết bị
lọc biogas tại Trung tâm
bảo trợ xã hội Đà Sơn



2. Loại hầm sinh khí kiểu túi:

3. Loại hầm sinh khí có nắp đậy di động: