Đặc tính khí sinh học biogas và khí CH4
Khí
biogas có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 Kg/m3, trọng lượng riêng
này thay đổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp. Lượng H2S
chiếm 1 lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước
gây độc cho người và làm hư dụng cụ đun nấu. Mùi hôi của chất này giúp
xác định nơi hư hỏng của hệ thống công nghệ hầm bêtông để sữa chữa.
Khí biogas có tính dễ cháy nếu được hòa lẫn nó với tỉ lệ từ 6 đến 25%
trong không khí. Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1 m3 cần 8 m3
không khí. Trong thực tế, khí biogas cháy tốt trong không khí khi được
hòa lẫn ở tỉ lệ là 1/9 – 1/10.
Khí CH4 là 1 chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí. ở 200C, 1atm, 1 m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg. Khi đốt hoàn toàn 1 m3 khí CH4 cho ra khoảng 5500 – 6000 kcal.
Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas
Các
chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành
các chất hòa tan và các chất khí. Qua quá trình hàng ngàn phản ứng, phần
lớn carbon, hydro, oxy bị chuyển hóa chủ yếu thành methane và khí
carbonic. Một phần nhỏ các nguyên tố canxi, phosphor, nitơ cũng bị thất
thoát khi qua sự phân hủy trong hầm biogas.
Sự phân hủy protein,
tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay
hơi, rượu, methylamine… cùng các chất độc hại như: tomain (độc tố thịt
thối), sản phẩm bốc mùi như indol, scatol.
Các chất cao phân tử:
cellulose, lignin sẽ bị vi khuẩn yếm khí có enzyme cellulosase phân hủy
theo sơ đồ phân hủy yếm khí khuẩn yếm khí cellulose.
(C6H10O5)n ---------> 3nCO2 + 3nCH4 + 4,5 Calo
Lượng CO2 sinh ra 1 phần sẽ bị giữ lại bởi các ion K+, Ca2+, Na+, NH3+…Do đó hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70% CH4.
Ở
giai đoạn đầu các chất phân hủy nhanh như tinh bột, protein, đường, 1
phần cellulose bị phân hủy trước tạo nhiều acid hữu cơ sẽ làm chậm quá
trình phân hủy. Ngược lại các chất xơ phân hủy từ từ nên gas sinh ra một
cách liên tục. Sự phân hủy xảy ra qua hai giai đoạn với hai con đường
khác nhau:
Con đường thứ nhất
|
Con đường thứ hai
|
Giai đoạn 1
Sự acid hóa cellulose:
(C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH
Sự tạo muối:
Các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là NH4OH) sẽ kết hợp các acid hữu cơ.
CH3COOH + NH4OH -> CH3COONH4 + H2O
|
Giai đoạn 1
Sự acid hóa cellulose
(C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH
Thủy phân acid tạo CO2 và H2:
CH3COOH + 2H2O -> 2CO2 + 4H2
|
Giai đoạn 2Lên men methane do sự phân hủy của muối hữu cơ:
CH3COONH4 + H2O -> CH4 + CO2 + NH4OH
|
Giai đoạn 2
Methane tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
|
Vậy cả hai con đường sự sinh methane phụ thuộc vào
quá trình acid hoá. Nếu lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều phân
tử sẽ gây ngừng trệ quá trình lên men của methane. Mặt khác, vi khuẩn
của sự lên men yếm khí trong giai đoạn này khí đều thuộc nhóm vi khuẩn
biến dưỡng cellulose. Các vi khuẩn này hầu hết là trực khuẩn có bào tử
nằm rải rác ở các họ: Clostridium, Plectridium, Cacduccus, Endosponus,
Terminosporus…Các chất tạo thành: CO2, H2, formate, acetate, alchohol,
methylamine, rượu... các chất (trừ CO2) đều cho electron và được làm
chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sinh khí methane (CH4) chuyên biệt. Nhóm vi
khuẩn chuyên biệt này đều có hai coenzyme đặc thù mà các nhóm vi khuẩn
khác hầu như chưa thấy:. Coenzyme M.(2-Mercaptoetban-Sulfonic-acid);
Coenzyme F420. (một loại flavin mononuc leotic). Nhóm vi khuẩn này đã
được xác định. Đối với các polysaccharides chuyển thành monosaccharides,
trải qua quá trình biến đổi sẽ tạo thành các muối acetate, lactate,
ethanol, butyrate, propionate. Sau đó các muối này sẽ phân hủy tạo
actate. Muối actate lại thủy phân để tạo methane.
Một số phản ứng minh họa:
- H2 + HCO3- + H+ -> CH4 + 3H2O
- 2CH3CH2OH + 4H2O -> 2CH3COO + H+ + CH4 + H2O
- CH3-CHOH-COO- + H2O -> 2CH3COO- + CH4 + HCO3-
- 4CH3CH2OH + 3H2O -> 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3-
- 2CH3CH2CH2COO- + 2H2O + HCO3- -> 4CH3COO- + H+ + CH4
- CH3COO- + H2O -> CH4 + HCO3-
- 4HCOOH + H2O -> CH4 + 3HCO3- + 3H+
- Methanol: 4CH3OH -> 3CH4 + HCO3- + H2O + H+
- Methylamine thủy phân tạo methane:
4CH3NH3+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+
2(CH3)NH2+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+
4(CH3)3NH+ + 9H2O -> 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+
Quá trình lên men của các chất hữu cơ do các vi sinh vật yếm khí phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Điều kiện yếm khí:Đây
là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi
sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với
oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu
hay ngừng hẳn.
Nhiệt độ:Có hai vùng nhiệt độ thích
hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic
(nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 450C, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 450C. Nhiệt độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai.
Sự
thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí. Vi
khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho
phép là 10C trong mỗi ngày.
Nhiệt độ dưới 100C
làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ không được sinh ra hoặc rất ít.
Tuy nhiên, là chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu. Ở
Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 320C là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí methane.
pH:pH
cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí
methane. Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7. Khi pH lớn
hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh.
Ẩm độ:Ẩm
độ đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển,
ẩm độ lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí
sinh ra thấp.
Thành phần dinh dưỡng:Để đảm bảo quá
trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu
cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Thành phần chủ yếu của
nguyên liệu phải cấp là C và N; với carbon ở dạng là carbohydrate, còn
nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac. Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên
liệu C và N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N. Tỉ lệ thích hợp sẽ
đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí,
trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào. Nhiều thí
nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí xảy ra
tốt.
Hàm lượng chất rắnĐể hầm ủ hoạt động tốt thì
hàm lượng chất rắn nên chiếm dưới 9%, hàm lượng này thay đổi theo mùa
thường từ 7 – 9%. Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt độ cao khả năng sinh
gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc
cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận và ngược lại. Tỉ lệ chất rắn
trong nước phân heo 6% là tối ưu nhất để sinh gas trong điều kiện khí
hậu nhiệt đới, với nhiệt độ trung bình 25 - 270C.
Các chất độc gây trở ngại quá trình lên menVi
khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hưởng các độc tố và các hợp chất hữu cơ.
Theo nghiên cứu các chất sau đây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn
kỵ khí:
Khả năng sinh gas từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau:
- Thể tích của hầm ủ biogas;
- Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm;
- Thời gian lưu lại của dịch phân;
- Từng loại phân khác nhau;
- Tỉ lệ phân nước dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân
hủy, ngược lại dịch phân quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trình
thoát khí.
Ngoài ra yếu tố nhiệt độ, pH, số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo gas.
Tỉ
lệ phân nước theo một số tác giả đã điều tra biến thiên từ 1/12 – 1/4
-1/7 thì tỉ lệ phân nước là tốt nhất khi đó sự phân hủy trong hầm ủ
rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu đen sậm.
Những ưu điểm của
khí sinh học: biogas có ưu thế hơn các loại chất đốt truyền thống (củi,
vỏ hạt điều, than, vỏ trấu…). Biogas cho lửa đều, sinh nhiệt cao, nấu
nướng nhanh chóng,
không làm cay mắt, hại phổi, các dụng cụ nấu nướng cũng như bộ phận
nhà bếp đều sạch sẽ không tạo khói. Sử dụng khí sinh học sẽ tiết kiệm
được thời gian đun bếp trấu, bếp củi, tận dụng thời gian dành cho việc
khác. Nước thải sau quá trình phân hủy trong công nghệ hầm ủ biogas sẽ
giảm mùi hôi, không thấy ruồi nhặng đeo bám tiêu diệt mầm bệnh, nhất là
ký sinh trùng và các bệnh lây lan khác, hạn chế ô nhiễm và bảo vệ môi
trường./.