Bài giảng Sản xuất khí sinh học (biogas)

*SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC(BIOGAS)Nhóm_MoitruongBài giảng *DANH SÁCH NHÓM_MOITRUONGNGÔ THÚY AN VÕ ĐAN THANHDƯƠNG MAI LINHPHAN PHƯỚC TOÀNNGUYỄN THỊ THÚY HẰNGBÙI THỊ MAI PHỤNG (nhóm trưởng)*SỰ RA ĐỜI CỦA KHÍ SINH HỌC BIOGASGây thiệt hại kinh tế:Nước nghèo Và nước sử dụng năng lượng ngoại nhậpTìm kiếm các nguồn năng lượng thay thếKhủng hoảng năng lượng(những năm 70 của thế kỉ XX)*GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGASBiogas, một sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ Là một nguồn năng lượng để thay thếBiogas được sử dụng: Nấu nướng, Thắp sáng, Sưởi ấm,Phát điện...*GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGASNguyên liệu cho quá trình sản xuất biogas: Phân người, Phân gia súc, Bùn cống rãnh, bùn thải công nghiệp,Phế phẩm nông nghiệp,Rác thải*GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGASThành phần của biogas như sau:Methane (CH4): 55 – 65%Carbon dioxide (CO2): 35 – 45%Nitrogen (N2): 0 – 3% Hydrogen (H2): 0 – 1% Hydrogen sulfide (H2S): 0 – 1% *GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGASNhiệt trị:CH4: gần 9.000 kcal/m3.Biogas: khoảng 4.500 – 6.000 kcal/m3 (phụ thuộc vào % CH4/biogas)*Mục đích, lợi ích và giới hạn của công nghệ sản xuất khí sinh họcCác mục đích và lợi ích của công nghệ khí sinh học:Tạo nên nguồn năng lượng tại chỗCố định các chất thảiBiến đổi các chất hữu cơ phức tạp thành các chất vô cơ thích hợp cho cây trồng hấp thuVô hiệu hóa các mầm bệnh*Mục đích, lợi ích và giới hạn của công nghệ sản xuất khí sinh họcHạn chế của ứng dụng công nghệ sinh học:Vốn đầu tư caoViệc vận hành và bảo quản tương đối phức tạpViệc vô hiệu hóa các mầm bệnh trong điều kiện yếm khí thường đạt hiệu quả không cao.*Ưu, khuyết điểm của công nghệ khí sinh họcƯu điểmSản xuất ra CH4 và chất thải để sử dụngTiêu diệt phần lớn các hạt cỏ dại và các mầm bệnhXử lý phân người và gia súcBảo vệ được các nguồn năng lượng hiếm của địa phương (củi, dầu).Nhược điểmCó khả năng cháy nổVốn đầu tư cao Đòi hỏi vận hành và bảo quản tốtTạo thể tích chất thải lớn hơn ban đầuNước thải của hầm ủ vẫn còn khả năng gây ô nhiễm nguồn nước*Ưu, khuyết điểm của công nghệ khí sinh họcƯu điểmChất thải Không có mùi hôiKhông còn hấp dẫn chuột và ruồiLàm phân bón và cải tạo đấtNhược điểmVài hóa chất trong chất thải có thể làm cản trở quá trình phân hủyLọc CO2 và H2S để dùng chạy động cơ đốt trong. *So sánh kỹ thuật ủ phân compost và kỹ thuật lên men yếm khí biogasĐiều kiện hoạt độngỦ phân compostCông nghệ biogasNguyên liệu ủ (để đạt C/N và ẩm độ thích hợp)Phân người/phân gia súc + thực vậtPhân người/phân gia súc + nước + thực vậtNhiệt độ50 – 700CMôi trườngThời gian vận hành cho 1 mẻ6 – 8 tuần (kể luôn giai đoạn thành thục và khoáng hóa)4 – 8 tuần*So sánh kỹ thuật ủ phân compost và kỹ thuật lên men yếm khí biogasĐiều kiện hoạt độngỦ phân compostCông nghệ biogasDiện tích cần thiếtLớn- Lớn đối với các loại hầm xây nổi, - Thấp đối với các loại hầm xây chìmCách vận hành Từ đơn giản đến phức tạpPhức tạp *So sánh chất lượng sản phẩm chất thải ủ phân compost và chất thải hầm ủ biogasSản phẩmPhân ủ compost Chất thải hầm ủTrọng lượng riêngGiảm xuống do nước bị bốc hơiTăng lên do việc sản sinh thêm sinh khốiHàm lượng nước40 – 50%88 - 92%Khả năng tiêu diệt mầm bệnhCaoTrung bìnhHàm lượng mùn hữu cơNhiềuÍt hơn phân ủ compost*Sản phẩmPhân ủ compost Chất thải hầm ủVận chuyểnDễ dàng (vì ở dạng rắn)Cần phải làm khôYêu cầu xử lý tiếpKhông cầnCần phải làm khôDự trữ Dễ dàng, ít mất đạmKhó hơn, có khả năng mất đạmSo sánh chất lượng sản phẩm chất thải ủ phân compost và chất thải hầm ủ biogas*Cách sử dụng chất thải hữu cơ trước đâyHình 4.1: Tác động của quá trình lên men yếm khí đến việc sử dụng chất thải hữu cơ (trước đây)Phân gia súcSử dụng trực tiếp làm phân bónSử dụng làm chất đốtNhiệtCác chế phẩm từ cây trồngBùn vùi vào đất để trả lại chất dinh dưỡng cho đất và cải tạo đất*Cách sử dụng chất thải hữu cơ khi có công nghệ biogasHình 4.2: Tác động của quá trình lên men yếm khí đến việc sử dụng chất thải hữu cơ (khi có công nghệ biogas)Phân gia súc, phân ngườiĐạm và các chất dinh dưỡng khácHầm ủ biogasChất thải của hầm ủNhiên liệuChạy động cơNhiệt và thắp sángPhát điệnChế phẩm từ cây trồng, chất thải sinh hoạtCải tạo đất*Các phản ứng sinh hóa của quá trình lên men yếm khíRất phức tạpNgười ta thường đơn giản hóa theo phương trình sau:Lên men yếm khí*Hình 4.3: Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Carty, 1981)Phân hủy và lên menTạo axit axetic và H2Sinh CH424% 52% 76% 20% Chất hữu cơ cao phân tử Chất hữu cơ 2H Axit axetic 4CH 4% 28% 72% Phân hủy và lên menTạo axit axetic và H2Sinh CH4Phân hủy và lên menTạo axit axetic và H2*Hình 4.4: Quá trình sinh học của sự phân hủy CHC trong điều kiện yếm khí (Brown và Taga,1985 trích bởi Chongrak, 1989)Quá trình khử hydro của nhóm acetonH2, CO2 AcetatAcetogenic bacteriaVi khuẩn tạo axitSinh Methane từ phản ứng khửCH4+CO2CH4 +CO2Khử gốc Carboxyl của AcetatNhóm VK sử dụng H2 VK AcetolasticThủy phân và lên men Chất thải hữu cơCarbohydrates, proteins, fatsAxit hữu cơ, rượu và các hợp chất trung tính khácHydro hóa nhóm aceton*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíNhiệt độpH và độ kiềmĐộ mặnChất dinh dưỡngKhối lượng nguyên liệu nạpCác chất khoáng trong nguyên liệu nạpKhuấy trộn*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của nhiệt độNhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí. Biên độ nhiệt được chú ý đến trong quá trình sản xuất biogas:25 – 400C: thích hợp cho các VSV ưa ấm50 – 650C: thích hợp cho các VSV ưa nhiệt*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của nhiệt độHình 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ (Price and Cheremisinoff, 1981 được trích dẫn bởi Chongrak, 1989)*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của nhiệt độỞ các nước vùng ôn đới:Nhiệt độ môi trường thấp  tốc độ sinh khí chậm Khi nhiệt độ dưới 100C, thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí:Dùng biogas để đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. *Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của nhiệt độNgoài ra, còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lạihoặc là thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của pHĐiều chỉnh pH trong hầm ủ = 6,6 - 7,6.pH tối ưu = 7 - 7,2 Ở pH = 5,5: vi khuẩn tạo axit có thể sống, nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế.pH của hầm ủ < 6,6: do nguyên liệu ủ có nhiều axit béo hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp làm ức chế vi khuẩn sinh methane.*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của pHĐể nâng pH: Ngưng nạp nguyên liệu vào hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết axit thừa Có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ.*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của độ kiềmNên giữ độ kiềm của hầm ủ: 2.500 – 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp.*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của độ mặnVi khuẩn sinh methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không giảm đáng kể.Như vậy, việc phát triển hầm ủ biogas tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1998).*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của các chất dinh dưỡngNguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt C/N = 25/1 - 30/1Vi khuẩn sử dụng carbon nhiều hơn sử dụng đạm từ 25 – 30 lần. P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí. Tuy nhiên, C/N được coi là nhân tố quyết định.Phân người có C/N thấp hơn C/N tối ưu do đó nên phối trộn với rơm rạ, lục bình, rác vườn. *Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của lượng nguyên liệu nạpBiểu thị bằng 2 nhân tố: Hàm lượng CHC: COD/m3*ngày hay VS/m3*ngàyThời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ: HRTLượng COD nạp cao  tích tụ các axit béo  giảm pH của hầm ủ  gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.Lượng COD nạp thấp  lượng khí sinh ra rất thấp  không đem lại hiệu quả kinh tế.*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của lượng nguyên liệu nạpLượng CHC nạp tối ưu Hầm ủ không có giá bám: 1 – 4 kgVS/m3*ngày hay 1 – 6 kgCOD/m3*ngày; Hầm ủ có giá bám: 1 – 15 kgVS/m3*ngày hay 5 - 30 kgCOD/m3*ngày.Thời gian tồn lưu (HRT) của hỗn hợp nạp tối ưuHầm ủ không có giá bám: 10 – 60 ngày*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của lượng nguyên liệu nạpLượng CHC nạp tối ưu Hầm ủ không có giá bám: 1 – 4 kgVS/m3*ngày hay 1 – 6 kgCOD/m3*ngày; Hầm ủ có giá bám: 1 – 15 kgVS/m3*ngày hay 5 - 30 kgCOD/m3*ngày.Thời gian tồn lưu (HRT) của hỗn hợp nạp tối ưuHầm ủ không có giá bám: 10 – 60 ngàyHầm ủ có giá bám:*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của lượng nguyên liệu nạpThời gian tồn lưu (HRT) của hỗn hợp nạp tối ưuHầm ủ không có giá bám: 10 – 60 ngàyHầm ủ có giá bám:Cột lọc yếm khí: 1 – 10 ngày Hầm ủ UASB: 0,5 – 6 ngày*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của lượng nguyên liệu nạpThời gian tồn lưu HRT phụ thuộc vào loại nguyên liệu nạp và điều kiện môi trường của hầm ủ.Thể tích hầm ủThể tích nguyên liệu nạpHRT =*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của các chất khoáng trong nguyên liệu nạp Có tác động tích cực đến quá trình sinh khí methane, ví dụ: ở nồng độ Ni thấp làm tăng quá trình sinh khí.Có tác động tiêu cực đến quá trình sinh khí methaneHiện tượng cộng hưởng: tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác.Hiện tượng đối kháng: giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác*Bảng 4.3 Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khíCations gây độcCations cộng hưởngCations đối khángAmmonium – N Ca, Mg, KNaCa Ammonium – N, MgK, NaMg Ammonium – N, CaK, NaKK, NaNaAmmonium – N, Ca, MgK(Nguồn EPA, 1979 được trích dẫn bởi Chongrak, 1989)*Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khíẢnh hưởng của khuấy trộn Tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải, Làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất thải rắn xuống đáy hầm, sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ.*Vận hành theo mẻVận hành bán liên tụcVận hành liên tụcCÁC LOẠI HẦM Ủ*Vận hành theo mẻHầm ủ được nạp đầy nguyên liệu trong một lầnCho thêm chất mồi đậy kín lại Quá trình sinh khí sẽ diễn ra Sau đó, toàn bộ các chất thải của hầm ủ được lấy ra chỉ chừa lại 10 – 20% để làm chất mồi,CÁC LOẠI HẦM Ủ*Vận hành theo mẻNguyên liệu mới lại được nạp đầy cho hầm ủ và quá trình cứ tiếp tục. Nhược điểm: lượng khí sinh ra hàng ngày không ổn định, thường cao vào lúc mới nạp và giảm dần đến cuối chu kỳ.CÁC LOẠI HẦM Ủ*Vận hành bán liên tụcSố lần nạp nguyên liệu: 1 - 2 lần/ngày Lượng chất thải của hầm ủ sẽ được lấy ra cùng với thời điểm nạp.Thể tích của hầm ủ phải đủ lớn: để ủ phân và chứa khí. CÁC LOẠI HẦM Ủ*Vận hành bán liên tụcKiểu vận hành này thích hợp khi ta có một lượng chất thải thường xuyên. Tổng thể tích khí sản xuất được trên một đơn vị trọng lượng chất hữu cơ thường cao.CÁC LOẠI HẦM Ủ*CÁC LOẠI HẦM ỦVận hành liên tụcViệc nạp nguyên liệu và lấy chất thải của hầm ủ ra được tiến hành liên tục. Lượng nguyên liệu nạp được giữ ổn định bằng cách cho chảy tràn vào hầm ủ hoặc dùng bơm định lượng. Phương pháp này thường dùng để xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất rắn thấp.*CÁC LOẠI HẦM ỦVận hành liên tụcChất mồi: chất thải hầm ủ hay phân gia súc (trong trường hợp nguyên liệu nạp không phải là phân người hay phân gia súc). Hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 20 – 30 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành (phụ thuộc vào nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lượng chất mồi).*CÁC LOẠI HẦM ỦHầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ)Một số loại hầm ủ, túi ủ ở Việt NamHầm ủ có chuông chứa khí riêng biệtCác loại hầm ủ có cung cấp giá bám cho vi khuẩn hoạt động*Hình 4.5 Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)4.4.1 Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)*Thể tích của hầm ủ bằng tổng thể tích của hầm chứa khí và hầm ủ phân. Ở các nước thuộc khu vực nhiệt đới, năng suất khí của các hầm ủ này đạt được từ 0,3-0,4 m3/m3 hầm ủ*ngày.Nhược điểm: Phần chứa khí rất khó xây dựng và bảo đảm độ kín khí do đó hiệu suất của hầm ủ thấp. 4.4.1 Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)*Hầm ủ TG-BP (Thai German – Biogas Program)Do các nhà khoa học của Đức và Thái Lan hợp tác tính toán lại kết cấu của hầm ủ nắp vòm cố định TQ bằng cách dùng kỹ thuật CAD. Loại hầm ủ TG-BP đã được Trung tâm Năng lượng mới, Đại học Cần Thơ thử nghiệm và phát triển có hiệu quả ở miền Nam nước ta.4.4.1 Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)*Hình 4.6 Hầm ủ nắp vòm cố định kiểu TG-BP*4.4.2 Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ)Rất phổ biến ở Ấn Độ, Còn gọi là hầm ủ kiểu KVIC (được thiết kế bởi Khadi và Village Industries Commission). *4.4.2 Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ)Nhược điểm: Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độNắp hầm ủ làm bằng sắt tấm thì dể bị ăn mònNắp hầm ủ làm bằng chất dẻo thì dễ bị lão hóa Áp suất khí thấp  bất tiện trong việc thắp sáng, đun nấu Để khắc phục nhược điểm này người ta thường treo thêm vật liệu nặng vào nắp hầm ủ.*Hình 4.7 Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ) *4.4.3 Một số loại hầm ủ, túi ủ ở Việt NamLoại hầm ủ CT1Do Trung tâm Năng lượng mới – ĐHCT thiết kếLà biến dạng của hầm ủ nắp cố định TQĐược phát triển trên 100 cái ở khu vực Cần Thơ và vài chục cái ở các tỉnh ĐBSCL. Tuổi thọ của hầm ủ trên 10 năm. Hiện nay, loại hầm ủ này KHÔNG còn được ưa chuộng nữa do các cấu kiện đúc sẵn cồng kềnh gây khó khăn, tốn kém trong quá trình vận hành, nguyên liệu nạp phải được thu gom và nạp bằng tay cho hầm ủ.*Hình 4.8 Hầm ủ kiểu CT1*4.4.3 Một số loại hầm ủ, túi ủ ở Việt NamTúi ủ bằng nylonƯu điểm: vốn đầu tư thấp.Nhược điểm: rất dễ hư hỏng do sự phá hoại của chuột, gia súc, gia cầm. Tuổi thọ của túi ủ tùy thuộc vào thời gian lão hóa của nguyên liệu làm túi.Hình 4.9 Túi ủ biogas*4.4.4 Hầm ủ có chuông chứa khí riêng biệt Có chuông chứa khí nằm riêngƯu điểm:Có khả năng cung cấp khí ổn định (ngay cả trường hợp ủ theo mẻ) với một áp suất ổn định. Tuy nhiên, loại hầm ủ này không được sử dụng phổ biến ở các nước đang phát triển *Hình 4.10 Hầm ủ nắp vòm cố định với chuông chứa khí riêng biệt *4.4.5 Các loại hầm ủ có cung cấp giá bám cho vi khuẩn hoạt động Cột lọc yếm khí (Young và Mc. Carty, 1969)Chỉ dùng để xử lý các chất thải hòa tan hoặc nước thải có hàm lượng vật chất rắn thấp.Giá bám cho các vsv: đá, sỏi, hạt nhựaCác loại nguyên liệu lọc có tổng diện tích bề mặt càng rộng càng thích hợp cho việc bám và tạo một lớp màng vsv để phân hủy chất thải.*Hình 4.11 Sơ đồ cột lọc yếm khí*4.4.5 Các loại hầm ủ có cung cấp giá bám cho vi khuẩn hoạt động Hầm ủ loại UASBĐược thiết kế bởi Lettinga và các ctv vào 1983 ở Netherlands. Thích hợp cho việc xử lý các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao và thành phần vật chất rắn thấp. Hầm ủ gồm 3 phần chính: (a) phần bùn đặc ở dưới đáy hầm ủ, (b) một lớp thảm bùn ở giửa hầm, (c) dung dịch lỏng ở phía trên. *Hình 4.12 Sơ đồ hầm ủ UASB*XEM PHIMHƯỚNG DẪN XÂY DỰNG HẦM Ủ BIOGAS NẮP CỐ ĐỊNH HÌNH CẦU*BÀI TẬPBài tập 4.1: Một cơ sở cần 10 m3 CH4 để sử dụng hàng ngày. Hãy tính thể tích hầm ủ cần phải xây dựng. Biết rằng nguyên liệu ủ là phân người và rơm rạ. Đặc tính của nguyên liệu ủ được cho như sau:Các thông sốPhân ngườiRơm rạCarbon hữu cơ (C), % tổng chất rắn4843Đạm tổng số (N), % tổng chất rắn4,50,9Tổng chất hữu cơ (TVS), % tổng chất rắn8677Ẩm độ (%)8214Biết rằng: Năng suất sinh khí của nguyên liệu nạp là 0,3 m3/kg.