Chuong 7. San Xuat Biogas

CHÖÔNG VII SAÛN XUAÁT BIOGAS Cuoäc khuûng hoaûng naêng löôïng vaøo nhöõng naêm 1980 ñaõ gaây ra nhöõng aûnh höôûng kinh teá cho nhieàu quoác gia, ñaëc bieät laø nhöõng nöôùc ngheøo leä thuoäc vaøo vieäc nhaäp khaåu daàu vaø khí ñoát. Biogas laø saûn phaåm trung gian cuûa quaù trình phaân huûy yeám khí cuûa caùc chaát höõu cô ñaõ ñöôïc xem nhö laø nguoàn naêng löôïng thay theá. Biogas coù theå ñöôïc söû duïng trong hoä gia ñình nhö laø duøng ñeå naáu aên, cung caáp nhieät, thaép saùng, vaø hôn theá nöõa laø söû duïng trong caùc cô quan coâng sôû ñeå cung caáp naêng löôïng hay laø duøng ñeå phaùt ñieän. Vaät lieäu thoâ phoå bieán duøng ñeå taïo ra biogas thöôøng ñöôïc xem nhö laø “vaät lieäu thöøa”, ví duï nhö laø phaân gia suùc, buøn trong heä thoáng coãng raõnh, vaø caùc pheá phaåm thöïc vaät. Taát caû caùc vaät lieäu naøy coù nguoàn dinh döôõng cao thích hôïp cho söï taêng tröôûng cuûa caùc vi khuaån yeám khí. Maëc duø moät vaøi daïng trong soá caùc loaïi vaät lieäu naøy coù theå söû duïng tröïc tieáp nhö laø nguoàn nguyeân lieäu vaø phaân boùn, nhöng chuùng cuõng ñöôïc söû duïng ñeå saûn xuaát biogas vaø nhieät löôïng. Tuøy thuoäc vaøo caùc yeáu toá nhö laø thaønh phaàn cuûa caùc vaät lieäu ñaàu vaøo, khoái löôïng chaát höõu cô aùp duïng, thôøi gian vaø nhieät ñoä cuûa phaân huûy yeám khí maø thaønh phaàn saûn phaåm biogas bieán ñoåi nhö sau: CH4 CO2 N2 H2 H2S

55 – 65% 35 – 45% 0 – 3% 0 – 1% 0 – 1%

CH4 cung caáp nhieät löôïng cao nhaát (# 9.000 kcal/m3); thoâng thöôøng trong saûn phaåm biogas cung caáp nhieät löôïng khoaûng 4.500 – 6.300 kcal/m3. 7.1 Muïc Ñích, Lôïi Ích Vaø Giôùi Haïn Cuûa Coâng Ngheä Biogas 7.1.1Taïo ra nguoàn naêng löôïng Quaù trình taïo ra nguoàn naêng löôïng khí biogas töø hoaït ñoäng phaân huûy yeám khí cuûa caùc chaát thaûi höõu cô laø lôïi ích cao nhaát cuûa coâng ngheä biogas. Thöïc tieãn saûn xuaát biogas trong khu vöïc noâng thoân coù moät soá thuaän lôïi nhö buø ñaép nhieân lieäu, than , daàu, goã vaø caùc vaán ñeà lieân quan ñeán vieäc quaûn lyù vaø heä thoáng maïng 1

löôùi phaân phoái naêng löôïng. Löôïng chaát thaûi höõu cô caàn thieát cho quaù trình saûn xuaát biogas thì doài daøo. Giaûm nhu caàu söû duïng goã trong röøng vaø nhöõng noå löïc troàng caây röøng trong töông lai.

2

7.1.2Oån ñònh chaát thaûi Caùc phaûn öùng sinh hoïc xuaát hieän trong quaù trình phaân huûy yeám khí seõ laøm giaûm noàng ñoä cuûa caùc chaát höõu cô töø 30 - 60% vaø oån ñònh buøn coù theå duøng ñeå laøm phaân boùn vaø caûi taïo ñaát. 7.1.3Cung caáp chaát dinh döôõng Caùc chaát dinh döôõng (N, P, K) hieän dieän trong chaát thaûi thöôøng toàn taïi döôùi daïng phöùc chaát vaø raát khoù haáp phuï bôûi caây troàng. Sau khi phaân huûy ít nhaát 50%, N hieän dieän döôùi daïng ammonia hoøa tan, coù theå thöïc hieän hoùa trình nitrate hoùa taïo thaønh NO3-. Vì vaäy quaù trình phaân huûy seõ taêng ñoâ höõu duïng cuûa N trong caùc chaát höõu cô töø 30 - 60%. Haøm löôïng P, K khoâng thay ñoåi trong quaù trình phaân huûy. Quaù trình phaân huûy khoâng phaân huûy hay dòch chuyeån baát cöù thaønh phaàn naøo trong caùc daïng dinh döôõng cuûa chaát thaûi ñoâ thò vaø trong caùc traïi vaø laøm cho noù höõu duïng thích hôïp cho vieäc haáp thuï cuûa caây troàng. Buøn laéng töø quaù trình phaân huûy ñöôïc xem nhö laø chaát laøm oån ñònh vaø caûi taïo ñaëc tính vaät lyù ñaát. 7.1.4Öùc cheá hoaït tính cuûa maàm beänh Trong thôøi gian uû phaân yeám khí chaát thaûi ñöôïc phaân huûy trong thôøi gian khoaûng 15 - 50 ngaøy, nhieät ñoä 35oC. Nhöõng ñieàu kieän naøy thích hôïp cho vieäc öùc cheá moät soá maàm beänh nhö laø vi khuaån, virus, ñoäng vaät nguyeân sinh, tröùng giun saùn. Kyõ thuaät biogas coù moät vaøi trôû ngaïi. Khi so saùnh vôùi caùc giaûi phaùp löïa choïn khaùc nhö laø uû phaân compost thì caùc yeáu toá nhö laø oån ñònh chaát thaûi vaø öùc cheá maàm beänh thì phöông phaùp uû phaân compost toát hôn nhieàu. Moät giôùi haïn khaùc bao goàm chi phí cao, saûn phaåm biogas bieán ñoåi theo muøa, cuõng nhö caùc vaán ñeà nhö laø vaän haønh vaø baûo trì. Bôûi vì vieäc öùc cheá maàm beänh trong phaân huûy yeám khí khoâng hoaøn chænh vaø buøn hình thaønh töø quaù trình phaân huûy toàn taïi döôùi daïng dung dòch, do ñoù caàn löu yù khi löu tröõ vaø söû duïng laïi buøn töø quaù trình phaân huûy. Coù leû ñaây laø lyù do laøm cho vieäc söû duïng buøn töø caùc haàm töï hoaïi bò haïn cheá. Baûng 4.1 laø baûng so saùnh phaân tích kyõ thuaät biogas vaø uû phaân compost. Baûng 4.2 so saùnh thuaän lôïi vaø baát lôïi cuûa coâng ngheä biogas. 7.2 Caùc Phaûn Öùng Sinh Hoùa Vaø Caùc Vi Sinh Vaät Quaù trình phaân huûy caùc hôïp chaát höõu cô laø moät phaûn öùng sinh hoùa raát phöùc taïp bao goàm nhöõng phaûn öùng vaø söï tham gia cuûa 3

caùc hôïp chaát höõu cô khaùc nhau, moãi moät hôïp chaát ñöôïc thuûy phaân bôûi moät enzymes cuï theå hoaëc laø chaát xuùc taùc rieâng bieät. Phaûn öùng ñôn giaûn cuûa quaù trình naøy laø: PH yeám khí

Caùc hôïp chaát höõu cô

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

(7-1)

Moät caùch toång theå cuûa quaù trình phaân huûy yeám khí xuaát hieän goàm caùc giai ñoaïn sau ñaây: 1. Beû gaõy lieân keát polymer hay söï hoùa loûng (Liquefaction). 2. Hình thaønh acid. 3. Hình thaønh methane (CH4) ♦ Giai ñoaïn 1: Söï hoùa loûng hay beû gaõy caùc lieân keát polimer: (hydrolytic bacteria) Nhieàu chaát thaûi höõu cô trong thaønh phaàn coù chöùa caùc phöùc chaát polymer höõu cô nhö laø protein, chaát beùo, cacbohydrate, cellulose, lignin, moät soá toàn taïi daïng chaát raén khoâng hoøa tan. Trong giai ñoaïn naøy caùc polymer höõu cô bò beû gaõy caùc lieân keát do caùc enzyme ñaëc bieät hình thaønh. Do caùc vi khuaån thuyû phaân vaø hoøa tan trong nöôùc, caùc chaát höõu cô ñôn giaûn hoaø tan ñöôïc hình thaønh, thích hôïp ch caùc vi khuaån hình thaønh acid trong giai ñoaïn 2 (hình thaønh acid). Thoâng thöôøng raát khoù phaân bieät giöõa giai ñoaïn 1 vaø giai ñoaïn 2, bôûi vì moät soá loaïi teá baøo ñöôïc haáp thuï vaø phaân huûy ngay trong noäi taïi teá baøo. Nhö ñaõ trình baøy trong hình 4.2, phaûn öùng thuûy phaân trong giai ñoaïn naøy seõ bieán ñoåi protein thaønh amino acid, carbohydrate thaønh ñöôøng ñôn giaûn vaø chaát beùo thaønh acid daïng chuoãi (long chain fatty acid). Quaù trình hoùa loûng cellulose vaø caùc hôïp chaát phöùc chaát khaùc thaønh monomer ñôn giaûn chæ xaûy ra chaäm taïi giai ñoaïn 1 vaø dieãn ra nhanh trong giai ñoaïn 2 vaø 3. Toác ñoä thuyû phaân tuyø thuoäc vaøo chaát dinh döôõng vaø noàng ñoä vi khuaån, cuõng nhö caùc yeáu toá khaùc : pH vaø nhieät ñoä. ♦ Giai ñoaïn 2: Hình thaønh acid: (acetogenic bacteria) Caùc monomer hình thaønh trong quaù trình thuûy phaân do caùc vi khuaån trong giai ñoaïn 1 thöïc hieän, sau ñoù ñöôïc bieán ñoåi thaønh acetic acid (acetates), H2 vaø CO2 baèng caùc vi khuaån hình thaønh acid (acetogenic bacteria). Caùc acid beùo bay hôi (Volatile Fatty Acid) (VFA) ñöôïc hình 4

thaønh xem nhö laø saûn phaåm cuoái cuøng cuûa quaù trình trao ñoåi chaát cuûa vi khuaån ñoái vôùi protit, chaát beùo, vaø carbohydrate maø caùc acid nhö acetic, propionic, vaø lactic acid laø saûn phaåm chính. Khí CO2 vaø H2 cuõng thaûi ra trong quaù trình dò hoùa carbohydrate, vôùi methanol CH3OH, vaø caùc röôïu ñôn giaûn, caùc saûn phaåm trung gian trong vieäc phaù vôõ caùc carbohydrate (hydrocacbon). ♦ Giai ñoaïn 3: Hình thaønh metan (CH4): (methanogens) Caùc saûn phaåm hình thaønh trong giai ñoaïn 2 cuoái cuøng bieán ñoåi thaønh CH4 vaø caùc saûn phaåm cuoái cuøng do nhoùm vi khuaån goïi laø methanogen thöïc hieän. Vi khuaån methanogenic phaùt trieån trong ñieàu kieän yeám khí, toác ñoä taêng tröôûng chaäm hôn trong giai ñoaïn 1 vaø 2. Vi khuaån methane söû duïng acetic acid, methanol, hoaëc carbon dioxide (CO2) vaø khí H2 ñeå saûn xuaát methane. Acetic acid ñoùng vai troø raát quan troïng nhö laø chaát dinh döôõng ñeå hình thaønh methane, khoaûng 70% CH4 saûn xuaát töø acetic acid. CH4 coøn laïi ñöôïc saûn xuaát töø CO2 vaø H2. Moät soá chaát khaùc cuõng tham gia vaøo quaù trình hình thaønh CH4 nhö laø acid formic nhöng ñoùng vai troø khoâng quan troïng, bôûi vì noù khoâng hieän dieän thöôøng xuyeân trong quaù trình leân men yeám khí. Vi khuaån methane cuõng phuï thuoäc vaøo vi khuaån giai ñoaïn 1 vaø 2 ñeå cung caáp chaát dinh döôõng ôû daïng thích hôïp. Ví duï, hôïp chaát N höõu cô phaûi ñöôïc khöû thaønh ammonia vaø thích hôïp ch vieäc söû duïng moät caùch höõu duïng cuûa vi khuaån methane. Söï hình thaønh nhöõng phaûn öùng taïo methane trong giai ñoaïn 3 ñoùng vai troø raát quan troïng trong vieäc phaân huûy yeám khí. Vi khuaån methane coøn giuùp cho vieäc trung hoøa pH trong buøn vaø bieán ñoåi aicd beùo bay hôi thaønh CH4 vaø caùc khí khaùc. Quaù trình bieán ñoåi H2 thaønh CH4 baèng vi khuaån methane laøm giaûm aùp suaát do H2 gaây ra beå phaân huûy, giuùp cho hoaït ñoäng coù lôïi cuûa caùc vi khuaån hình thaønh acid acetic. Neáu caùc chöùc naêng vi khuaån methane thaát baïi trong vieäc hình thaønh CH4 thì chæ coù moät löôïng nhoû thaäm chí khoâng coù söï hình thaønh CH4 vaø vieäc oån ñònh chaát thaûi seõ khoâng ñaït ñöôïc keát quaû bôûi vì caùc hôïp chaát höõu cô seõ bieán ñoåi thaønh caùc acid beùo bay hôi seõ gaây oâ nhieãm neáu thaûi vaøo moâi tröôøng nöôùc hoaëc moâi tröôøng ñaát. Vi khuaån methane phaùt trieån trong ñieàu kieän yeám khí, do ñoù söï phaùt trieån cuûa chuùng seõ bò haïn cheá khi trong beå phaân huûy coù söï hieän dieän cuûa oxy, neân caàn phaûi taïo moâi tröôøng khöû ñeå duy trì söï taêng tröôûng cuûa chuùng. Vi khuaån methane raát nhaïy caûm vôùi caùc yeáu

5

toá moâi tröôøng khaùc. Vaán ñeà naøy seõ thaûo luaän trong phaàn 7.3 caùc yeáu toá taùc ñoäng moâi tröôøng. Hieän nay quaù trình phaân huûy yeám khí ñöôïc chia laøm 4 nhoùm vi khuaån tham gia: I. Vi khuaån hình thaønh acid (thuûy phaân vaø leân men) Acid forming (hydrolytic and fermentative) bacteria II. Vi khuaån hình thaønh acetic acid (saûn xuaát acetate vaø H2) Acetogenic (acetate and H2 - producing) bacteria III.Vi khuaån hình thaønh methane (methane - forming) Acetoclastic bacteria IV.Vi khuaån hình thaønh H2 vaø CH4 höõu duïng Hydrogen - utilizing methane bacteria Vi khuaån hình thaønh aicd tham gia vaøo quaù trình thuûy phaân vaø laøm beû gaõy caùc lieân keát phöùc chaát höõu cô thaønh caùc saûn phaåm ñôn giaûn nhö laø CO2, H2, vaø caùc acid beùo bay hôi baèng caùc con ñöôøng khaùc nhau: Chaát dinh döôõng (subtrate) → CO2 + H2 + acetate

(7-2)

Chaát dinh döôõng (subtrate) → propionate + butyrate + ethanol

(7-3)

Saûn phaåm hình thaønh töø phöông trình (7-2) coù theå ñöôïc vi khuaån hình thaønh methane (acetoclastic bacteria) söû duïng tröïc tieáp vaø vi khuaån hình thaønh H2 vaø CH4 höõu duïng ñeå taïo thaønh CH4. CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- + naêng löôïng

(7-4)

(acetate) 4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O + naêng löôïng

(7-5)

Thôøi gian hình thaønh vi khuaån giai ñoaïn 2 daøi hôn giai ñoaïn 1 (2-3 ngaøy VS 2-3 giôø ôû nhieät ñoä 35oC) trong ñieàu kieän toái öu. Vì vaäy beå phaân huûy yeám khí khoâng neân cho vaøo taûi troïng chaát höõu cô quaù cao (organic loading) bôûi vì caùc vi khuaån hình thaønh acid seõ saûn xuaát acid beùo bay hôi phaùt trieån nhanh hôn vi khuaån hình thaønh methane, vì söï taêng tröôûng cuûa vi khuaån hình thaønh methane raát nhaïy caûm vôùi aùp suaát cuûa H2 trong beå phaân huûy yeám khí.

6

Neáu aùp suaát H2 lôùn hôn 0.0001 hoaëc 0.01% thì phaûn öùng (7-3) chieám öu theá vaø söï hình thaønh acetate seõ bò haïn cheá. Khoaûng chöøng 70% CH4 hình thaønh trong phöông trình (7-4), tyû leä hình thaønh biogas seõ bò giaûm. Phöông trình (7-5) ñoùng vai troø raát quan troïng trong beå phaân huûy yeám khí bôûi vì noù seõ laøm giaûm noàng ñoä H2 trong heä thoáng vaø duy trì aùp suaát H2 ôû möùc thaáp nhaát. Hoaït ñoäng khoâng hoaøn haûo (malfunction) cuûa heä thoáng coøn phuï thuoäc vaøo nhöõng yeáu toá khaùc. 7.3 Caùc Ñieàu Kieän Trong Quaù Trình Thöïc Hieän Biogas Phaûn öùng trong ñieàu kieän yeám khí trong beå phaân huûy coù theå xaûy ra nhanh choùng neáu caùc vi khuaån nuoâi caáy hay chaát dinh döôõng ñöôïc cung caáp moät caùch hôïp lyù. Khi phaûn öùng hay giai ñoaïn laøm quen vôùi moâi tröôøng môùi, caùc vi khuaån hay chaát dinh döôõng phaûn ñöôïc nuoâi caáy vaø cung caáp vaøo chaát thaûi moät caùch hôïp lyù veà soá löôïng ít nhaát 50%. Theå tích nuoâi caáy giaûm trong khi theå tích chaát thaûi cho vaøo taêng daàn trong khoaûng thôøi gian töø 3-4 tuaàn. Sau khoaûng thôøi gian naøy, theå tích chaát thaûi cho vaøo ñoäc laäp vôùi theå tích vi sinh nuoâi caáy, muïc ñích laø giuùp cho söï taêng tröôûng cuûa vi khuaån yeám khí. Khi xöû lyù chaát thaûi gia suùc, buøn laéng trong beå töï hoaïi, hoaëc chaát thaûi caây troàng, haøm löôïng chaát raén khoaûng 5 - 10%, phaàn coøn laïi laø nöôùc. Cuõng nhö caùc quaù trình sinh hoïc khaùc, caùc quaù trình phaân huûy kî khí ñoøi hoûi nhieàu thoâng soá kieåm soaùt khaùc nhau. Caùc thoâng soá coù theå töông taùc ñoäc laäp hoaëc taùc ñoäng laãn nhau trong quaù trình thöïc hieän phaûn öùng.

7

7.6.1 Nhieät ñoä Nhieät ñoä thay ñoåi haøng ngaøy vaø theo muøa ñoùng vai troø raát quan troïng trong vieäc hình thaønh saûn phaåm biogas. Moät caùch toång theå, 2 daõy nhieät ñoä quan troïng trong vieäc hình thaønh biogas: giai ñoaïn mesophilic (25 - 40oC) vaø thermophilic (50 - 65oC). tyû leä hình thaønh methane taêng khi nhieät ñoä taêng, nhieät ñoä coù söï giaûm ñi chuùt ít trong söï chuyeån tieáp giöõa 2 giai ñoaïn (hình 4.4). Nhieät ñoä döôùi 10oC hình thaønh khí giaûm moät caùch nhanh choùng. 7.6.2 Ñoä pH vaø ñoä kieàm PH trong beå phaân huûy yeám khí neân naèm trong khoaûng 6.6 - 7.6, pH toái öu laø 7 - 7.2. Maëc duø vi khuaån hình thaønh acid coù theå hoaït ñoäng trong ñieàu kieän pH khoaûng 5.5. Vi khuaån hình thaønh khí methane bò haïn cheá trong ñieàu kieän pH thaáp. Giaù trò pH coù theå giaûm döôùi 6.6 khi noàng ñoä cuûa caùc acid beùo bay hôi trong beå phaân huûy cao. Quaù trình tích luõy coù theå xuaát hieän khi tyû leä chaát höõu cô cho vaøo vôùi haøm löôïng cao vöôït quaù möùc giôùi haïn cho pheùp hoaëc laø caùc ñoäc toá hieän dieän trong beå phaân huyû. 7.6.3 Noàng ñoä caùc chaát dinh döôõng Haàu heát thoâng tin cung caáp trong phaàn naøy laø keát quaû cuûa nghieân cöùu caùc loaïi vi khuaån coù maët trong daï coû (Rumen) cuûa ñoäng vaät. Naêng löôïng cung caáp cho söï taêng tröôûng cuûa haàu heát vi khuaån leân men trong daï coû hình thaønh thoâng qua quaù trình leân men yeám khí cuûa hydrocarbon. N ñöôïc cung caáp hình thaønh caáu truùc teá baøo. Ñeå quaù trình hình thaønh biogas dieãn ra toát thì vaät lieäu ñaàu vaøo phaûi ñaït yeâu caàu tæ leä C/N. Vi khuaån söû duïng C nhanh hôn N töø 25 - 30 laàn. Do ñoù tyû leä C/N = 25 - 30/1 laø toái öu, töông töï nhö quaù trình uû phaân compost. Caùc yeáu toá khaùc nhö P, Na, K, Ca cuõng ñoùng vai troø caàn thieát. 7.6.4 Taûi troïng vaät lieäu ñaàu vaøo (loading) Taûi troïng vaät lieäu ñaàu vaøo coù theå bieåu hieän nhö (kg COD hay chaát raén bay hôi volative solid (VS/m3.day) vaø thôøi gian löu nöôùc trong beå (HRT). Vaät lieäu ñaàu vaøo coù noàng ñoä cao laøm phaùt sinh nhieàu acid beùo bay hôi trong beå phaân huûy (ñieàu kieän chua) (sour condition) vaø haäu quaû laø pH giaûm, aûnh höôûng baát lôïi vôùi vi khuaån hình thaønh khí methane. Noàng ñoä vaät lieäu ñaàu vaøo thaáp thì löôïng biogas sinh ra khoâng söû duïng ñöôïc cho nhieàu muïc ñích khaùc nhau vaø beå phaân huûy yeám khí khoâng caàn theå tích lôùn. 8

Thôøi gian löu nöôùc trong beå cuõng ñoùng vai troø quan troïng aûnh höôûng ñeán quaù trình phaân huûy. Thôøi gian löu nöôùc trong beå quaù ngaén khoâng thích hôïp cho caùc vi khuaån yeám khí hoaït ñoäng, ñaëc bieät laø vi khuaån hình thaønh khí methne. Thôøi gian löu nöôùc trong beå quaù daøi laøm tích luõy caùc chaát ñaõ ñöôïc phaân huûy trong beå phaân huûy vaø caáu truùc theå tích trong beå phaân huûy caøng lôùn. Nhìn chung taûi troïng vaät lieäu ñaàu vaøo, thôøi gian löu nöôùc trong beå tuøy thuoäc vaøo ñaëc tính chaát thaûi ñöa vaøo vaø ñieàu kieän moâi tröôøng trong beå phaân huûy. 7.6.5 Hieän dieän cuûa hôïp chaát ñoäc toá Quaù trình phaân huûy yeám khí caùc hôïp chaát höõu cô nhö laø phaân gia suùc, vaø caùc chaát thaûi noâng nghieäp khaùc, tích luõy acid beùo bay hôi, H2, vaø ammonia khoâng phaân chia thöôøng daãn ñeán nhöõng thaát baïi trong phaân huûy. Söï hieän dieän cuûa oxy cuõng haïn cheá caùc hoaït ñoäng vi khuaån hình thaønh khí methane. 7.6.6 Khuaáy troän Quaù trình khuaáy troän cuõng ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc cung caáp ñieàu kieän toát hôn cho vieäc tieáp xuùc giöõa vi khuaån yeám khí vaø caùc chaát thaûi höõu cô ñi vaøo, do ñoù hieäu quaû saûn xuaát biogas gia taêng, giaûm khaû naêng laéng cuûa chaát thaûi raén hoaëc laø söï tích luõy caùc chaát thaûi döôùi beå laéng giuùp cho vieäc ngaên caûn vaø laøm phaù vôõ söï hình thaønh nhöõng boït vaùng treân beà maët phaân huûy. Ñoái vôùi nhöõng beå phaân huûy coù quy moâ nhoû, vieäc khuaáy troän coù theå thöïc hieän baèng thuû coâng. Ñoái vôùi beå coù quy moâ lôùn, thöïc hieän baèng maùy vaø coù caû heä thoáng hoaøn löu buøn vaø boä phaän khuaáy troän. 7.4 Caùc Phöông Phaùp Saûn Xuaát Biogas Coù raát nhieàu beå phaân huûy yeám khí ñöôïc thieát keá söû duïng cho caùc muïc ñích khaùc nhau, söû duïng daïng moâ hình trong phoøng thí nghieäm vaø daïng söû duïng ngoaøi thöïc ñòa. Coù 2 yeâu caàu quan troïng trong vieäc thieát keá saûn xuaát biogas laø: trong beå phaân huûy khoâng coù söï hieän dieän cuûa oxy vaø theå tích hôïp lyù ñeå caùc vi khuaån thöïc hieän caùc phaûn öùng sinh hoïc. 7.6.1 Caùc daïng beå phaân huûy - Beå phaân huûy daïng meû (batch operation) Theo thieát keá daïng beå naøy phaân huûy caùc chaát höõu cô cho ñeán khi ñaày beå cuøng vôùi vi khuaån nuoâi caáy, phuû kín beå. Quaù trình 9

phaân huûy, gas ñöôïc sinh ra vaø haøm löôïng giaûm daàn theo thôøi gian. Löôïng biogas ñöôïc hình thaønh döïa vaøo söï bieán ñoå nhieät ñoä vuøng, vaø caùc daïng chaát thaûi ñöa vaøo. Sau ñoù buøn ñöôïc laáy ra chæ chöøa laïi 10 – 20% xem nhö laø chaát nuoâi caáy, caùc vaät lieäu ñöôïc cho vaøo trôû laïi vaø quaù trình cöù tieáp tuïc nhö luùc ban ñaàu. Beå phaân huûy daïng naøy, löôïng gas saûn xuaát khoâng oån ñònh vaø tyû leä gas phaùt sinh bieán ñoåi töø cao ñeán thaáp. Phöông phaùp naøy thích hôïp cho vieäc phaân lôùn chaát höõu cô ôû vuøng saâu. - Beå phaân huûy baùn lieân tuïc ( Semi – continuous operation) Theo thieát keá daïng beå naøy, caùc chaát thaûi ñöôïc cho vaøo beå theo quy luaät. Thoâng thöôøng löôïng chaát thaûi cho vaøo töø 1 – 2 laàn/ngaøy vaø löôïng buøn cuõng ñöôïc laáy ra cuøng thôøi ñieåm luùc cho chaát thaûi vaøo. Phöông phaùp naøy thích hôïp khi löôïng chaát thaûi cho vaøo beå oån ñònh. Theå tích beå phaân huûy ñuû lôùn ñeå vöøa coù beå phaûn öùng vöøa coù haàm chöùa khí. Löôïng gas sinh ra treân moät ñôn vò khoái löôïng chaát höõu cô thöôøng cao. - Beå phaân huûy lieân tuïc Beå phaân huûy daïng naøy, chaát thaûi cho vaøo vaø löôïng buøn laáy ra moät caùch lieân tuïc. Löôïng chaát thaûi ñöôïc phaân huûy trong beå döôùi daïng haèng soá baèng phöông phaùp chaûy traøn (over flow) hoaëc duøng maùy bôm (pumping). Phöông phaùp naøy ñaõ ñöôïc söû duïng ñeå xöû lyù chaát thaûi loûng hoaëc chaát thaûi höõu cô coù haøm löôïng chaát raén thaáp. Phöông phaùp phaân huûy lieân tuïc ñoøi hoûi nguoàn naêng löôïng raát lôùn ñaàu vaøo duøng ñeå bôm vaø khuaáy troän, vaø vì vaäy bò giôùi haïn söû duïng taïi nhöõng nôi nguoàn naêng löôïng bò söû duïng haïn cheá. Moät ñieåm caàn löu yù laø quaù trình caáy caùc vi khuaån cho vaøo khi beå baét ñaàu hoaït ñoäng. Hoaït ñoäng thaät söï baét ñaàu khi soá löôïng vi khuaån ñöôïc hình thaønh ñuû ñeå phaân huûy chaát thaûi, khí ñöôïc saûn xuaát, bao goàm caû löôïng gas saûn xuaát so vôùi toång soá gas. Thoâng thöôøng vieäc oån ñònh chaát thaûi caàn khoaûng thôøi gian töø 20 – 30 ngaøy (tuøy thuoäc vaøo nhieät ñoä, kích thöôùc beå phaân huûy vaø vaät lieäu ñaàu vaøo) 7.6.2 Kieåu beå phaân huûy Coù raát nhieàu daïng kieåu beå phaân huûy bieán ñoåi töø daïng ñôn giaûn ñeán phöùc taïp. Khi gia taêng ñoä phöùc taïp trong beå thieát keá ñoøi hoûi kyõ naêng vaän haønh cao hôn vaø thoâng thöôøng khoù ñaùp öùng ñöôïc. Hôn theá höõa , thieát keá caøng hieän ñaïi thì ñoøi hoûi chi phí xaây döïng

10

vaø vaän haønh cao, vaø löôïng gas saûn xuaát thì gia taêng khoâng ñaùng keå. Beå phaân huûy 2 giai ñoaïn (i.e. giai ñoaïn 1 hình thaønh acid vaø giai ñoaïn 2 hình thaønh khí methane) ñöôïc thieát keá söû duïng cho muïc ñích thí nghieäm ñeå tìm hieåu veà caùc hoaït ñoäng xaûy ra trong ñieàu kieän töï nhieân cuûa chaát thaûi. Beå phaân huûy 1 giai ñoaïn ñöôïc söû duïng roäng raõi trong ñieàu kieän thöïc tieãn. Moät caùch toång quaùt, kieåu beå phaân huûy coù theå chia thaønh 2 nhoùm chính: Nhoùm höõu duïng cho caùc vi khuaån phaân taùn (dispersed – growth bacteria) vaø nhoùm höõu duïng cho nhoùm vi khuaån baùm dính (attached – growth bacteria). Beå phaân huûy kieåu phaân taùn: • Beå keát hôïp phaân huûy vaø tieâu huûy khí (combined digester and gas holder – fixed dome) (Chinese) Thieát keá kieåu naøy (hình 4.5) theå tích chöùa gas ñöôïc thieát keá moät caùch tröïc tieáp naèm beân treân beå phaûn öùng. Beå phaân huûy quy moâ nhoû coù theå tích 6 –12m3 phuø hôïp söû duïng trong gia ñình hoaëc moät nhoùm hoä gia ñình. Kieåu coù theå tích lôùn hôn (50m3) ñöôïc thieát keá ñaùp öùng nhu caàu cuûa caû coäng ñoàng. Maùi lôïp, töôøng, vaø ñaùy cuûa beå phaûn öùng caáu taïo baèng gaïch hoaëc ñuùc beâ toâng. Ñaùy vaø lôùp bao phuû coù caáu taïo hình baùn caàu. Beå phaân huûy naøy ñöôïc choân döôùi ñaát muïc ñích laø ñeå nhieät ñoä phaân phoái ñoàng nhaát, söû duïng ñöôïc khoâng gian vaø taän duïng ñöôïc ñoä cöùng cuûa ñaát, oáng cho vaät lieäu vaøo ñöôïc caáu taïo thaúng vaø chaám döùt trong khoaûng giöõa beå phaân huûy. Daïng beå phaân huûy kieåu naøy phoå bieán taïi caùc nöôùc ñang phaùt trieån. Coù khoaûng chöøng 7 trieäu beå phaân huûy ñang söû duïng taïi Trung Quoác, nhöng vì lyù do aûnh höôûng bôûi söï bieán ñoåi theo muøa cuûa nhieät ñoä, do ñoù chæ coù khoaûng 50% trong soá hoaït ñoäng coù hieäu quaû. Beå phaân huûy kieåu naøy thieát keá döôùi daïng baùn lieân tuïc, moät vaøi thieát keá daïng meû. Tyû leä gas saûn xuaát ñöôïc ghi nhaän khoaûng 0.15 – 0.2m3/ngaøy/m3 beå phaân huûy nhöng trong vuøng nhieät ñôùi coù theå ñaït 0.3 – 0.4m3/ngaøy/m3. Quaù trình khuaáy troän trong beå phaân huûy thoâng qua vieäc cho chaát thaûi ñaàu vaøo vaø laáy chaát thaûi buøn laéng ñaàu ra. Moät kieåu khuaáy troän caûi tieán nhaèm taêng hieäu quaû khuaáy troän ñöôïc trình baøy 11

trong hình 4-7, phöông phaùp naøy giaûi quyeát ñöôïc vaán ñeà chaát phaân huûy tích luõy trong beå vaø traùnh ñöôïc hieän töôïng ngheït oáng. Moät phöông phaùp caûi tieán khaùc cuûa beå phaân huûy Trung Quoác ñöôïc trình baøy trong hình 4-8. Boä phaän khuaáy troän bao goàm 4 löôõi baèng theùp haøn dính vaøo thanh baèng theùp vaø vieäc khuaáy troän ñöôïc thöïc hieän baèng tay, baèng caùch di chuyeån ñóa theùp theo höôùng leân vaø xuoáng moät vaøi laàn moãi ngaøy. Baèng phöông phaùp naøy, naêng suaát biogas ñaït cao nhaát khi thôøi gian löu trong beå laø 30 ngaøy (HRT). • Beå phaân huûy kieåu Aán Ñoä (Floating gas holder digester) Beå naøy bao goàm oáng hình truï, thoâng thöôøng laøm baèng gaïch. Aùp suaát trong beå ñöôïc giöõ ôû möùc haèng soá bôûi vì gas ñöôïc saûn xuaát vaø thu treân lôùp beà maët (hình 4.10 a, b). Boä phaän bao phuû thoâng thöôøng ñöôïc laøm baèng loaïi theùp nheï, do vaán ñeà aên moøn neân chuùng ñöôïc thay theá baèng ferrocement, nhöïa, sôïi thuûy tinh. Ñeå giaûm söï maát nhieät beå phaân huûy coù theå choân döôùi ñaát. Beå phaân huûy kieåu naøy thì chaát thaûi ñöôïc cho vaøo theo kieåu baùn lieân tuïc vaø löôïng chaát thaûi ñaàu ra baèng löôïng chaát thaûi ñaàu vaøo. Daïng thieát keá naøy söû duïng roäng raõi taïi Aán Ñoä, vaø aùp duïng cho vieäc xöû lyù phaân gia suùc. Daïng thieát keá naøy ñôn giaûn tong vieäc xaây döïng vaø baûo trì, khoâng ñoøi hoûi nhöõng ngöôøi coù kinh nghieäm xaây döïng. Beå phaân huûy kieåu Aán Ñoä vaø Trung Quoác ñöôïc söû duïng phoå bieán nhaát treân theá giôùi. • Beå phaân huûy daïng doøng chaûy (plug – flow digester) (horizontal displasement digesters) Beå thieát keá daïng doøng chaûy naøy bao goàm moät möông ñöôïc caét thaønh raõnh daøi trong ñaát vaø ñöôïc loùt xung quanh baèng beâtoâng hoaëc baèng maøng khoâng thaám. Beå phaân huûy ñöôïc bao phuû baèng chaát bao phuû meàm deûo naèm treân maët ñaát ñoùng vai troø nhö bình chöùa gas hoaëc baèng beâtoâng hay saét maï ñieän. Vaán ñeà khoù khaên chính cuûa beå chöùa naøy laø phaûi ñaûm baûo ñieàu kieän doøng chaûy thaät söï, do ñoù chieàu daøi phaûi lôùn hôn chieàu roäng vaø chieàu cao (hình 4.11). Beå chöùa caùc vaät lieäu ñöôïc cho vaøo theo kieåu baùn lieân tuïc vaø vò trí ñaët taïi cuoái ñaùy beå. Beå phaân huûy daïng tuùi coù öu ñieåm laø nheï, deã thieát laäp vaø beàn (hình 4.12) vaø chi phí thaáp, khí sinh ra ñöôïc tích luõy treân lôùp maët vaø ñöôïc thu gom qua ñöôøng oáng thu khí. 12

• Beå phaân huûy kinh ñieån (conventional digester) truyeàn thoáng: Beå phaân huûy kieåu naøy ñöôïc duøng ñeå xöû lyù buøn trong nhaø maùy xöû lyù buøn töø heä thoáng coáng raõnh. Löôïng khí sinh ra laø ñeå cung caáp naêng löôïng trong nhaø maùy xöû lyù hoaëc laø cung caáp nhieät cho beå phaân huûy. Hình 4.14 ñöa ra daïng thieát keá ñieån hình cuûa beå phaân huûy daïng hình truï. Thaønh phaàn chính cuûa beå laø pha troän vaø hoan” löu laïi buøn ñaõ bò phaân huûy, boä phaän loaïi tröø boït, vaùng, boä phaän thu khí, boä phaän laáy buøn laéng ñaõ ñöôïc phaân huûy. Vaän haønh heä thoáng ñoøi hoûi nhöõng ngöôøi coù chuyeân moân vaø cheá ñoä quan traéc. Theå tích beå phaân huûy kieåu naøy thöôøng töø 250 – 12.000m3 hoaëc lôùn hôn nöõa. Beå phaân huûy kieåu baùm dính: • Loïc yeám khí (Young and Mecarty, 1969): Beå phaân huûy kieåu naøy bao goàm coät loïc nöôùc vôùi caùc vaät lieäu loïc nhö ñaù, soûi vaø caùc daïng nhöïa. Caùc coät loïc vôùi caùc vaät lieäu loïc coù beà maët tieáp xuùc caøng lôùn (dieän tích beà maët treân ñôn vò theå tích) thì soá vi khuaån baùm dình vaøo vaät lieäu caøng nhieàu vaø moät soá hieän dieän trong caùc loã hoång giöõa caùc vaät lieäu loïc. Moät caùch toång quaùt, vaät lieäu loïc trong beå loïc yeám khí caàn thieát laäp sao cho toång dieän tích beà maët lôùn (tyû leä dieän tích/theå tích) ñeå cung caáp dieän tích beà maët ñuû lôùn ñeå caùc vi khuaån baùm dính phaùt trieån, trong khi ñoù duy trì theå tích loã hoång hôïp lyù ñeå baûo veä beå phaûn öùng ngaên caûn caùc chaát raén lô löûng theo doøng thaûi. Caùc vaät lieäu thích hôïp duøng trong beå loïc yeám khí trình baøy trong hình 4.16. Dieän tích beà maët cuûa caùc vaät lieäu loïc söû duïng trong beå loïc yeám khí trung bình laø 100m2/m3. doøng thaûi coù theå ñi töø treân xuoáng hoaëc laø ñi töø döôùi leân xuyeân qua coät loïc yeám khí, tieáp xuùc vôùi caùc vaät lieäu maø taïi ñoù caùc vi khuaån yeám khí taêng tröôûng vaø baùm truù treân caùc vaät lieäu vaø raát khoù theo doøng chaûy sau khi xöû lyù, do ñoù thôøi gian löu tröõ cuûa caùc vi khuaån trong beå (θC) coù theå leân ñeán 100 ngaøy vaø thôøi gian löu nöôùc trong beå ngaén (HRT). Beå loïc yeám khí coù doøng chaûy ñi töø döôùi leân seõ coù söï hình thaønh acid vaø methane ôû ñaùy vaø ñænh beå loïc do ñaëc ñieåm caáu truùc vaät lyù cuûa caùc beå loïc. Do ñoù chæ coù chaát thaûi hoøa tan hoaëc chaát thaûi vôùi haøm löôïng chaát raén thaáp nhö nöôùc thaûi sinh hoaït neân söû duïng trong phöông phaùp naøy ñeå traùnh hieän töôïng taét ngheõn caùc beå loïc. 13

• Beå loïc UASB (Up – flow anaerobic sludge blanket) (Letting et al.(1983)). Beå loïc daïng naøy thích hôïp cho vieäc xöû lyù nöôùc thaûi coù noàng ñoä chaát höõu cô cao vaø chaát raén coù haøm löôïng thaáp coù hoaëc khoâng coù heä thoáng hoaøn löu buøn. Beå phaân huûy ñöôïc phaân thaønh 3 vuøng: (1) lôùp buøn naèm döôùi ñaùy; (2) lôùp maøng buøn naèm ôû lôùp giöõa trung taâm; (3) lôùp dung dòch naèm treân cuøng. Nöôùc thaûi ñöôïc ñöa vaøo heä thoáng töø ñaùy beå phaûn öùng vaø theo chieàu töø döôùi leân xuyeân qua lôùp maøng hình thaønh do caùc haït lieân keát nhau hình thaønh do caùc phaûn öùng sinh hoïc. Khí sinh ra trong ñieàu kieän yeám khí (CH4 vaø CO2) gaây neân söï xaùo troän buøn trong beå, giuùp cho söï hình thaønh vaø duy trì caùc phaân töû sinh hoïc. Moät ít khí daïng bong boùng ñöôïc hình thaønh trong lôùp maøng vaø baùm dính vaøo caùc phaân töû sinh hoïc vaø ñaåy chuùng leân treân ñænh cuûa beå phaûn öùng khoaûng chöøng 80 – 90% caùc chaát höõu cô ñöôïc phaân huûy toàn taïi trong lôùp muøn, vaø chieám khoaûng 30% toång theå tích cuûa beå phaûn öùng. Ñeå cho lôùp maøng ñöôïc giöõ ôû traïng thaùi lô löûng vaän toác chaûy neân duy trì ôû möùc 0.6 – 0.9m/h.  Nhöõng vaán ñeà phaùt sinh trong khi söû duïng caùc beå phaân huûy biogas (Trouble–shooting) Taát caû nhöõng vaán ñeà naåy sinh ñoái vôùi beå phaân huûy sinh hoïc trong quaù trình vaän haønh vaø baûo trì. Baûng 4.18 vaø 4.19 lieân quan ñeán caùc vaán ñeà trong beå phaân huûy sinh hoïc daïng vi khuaån phaân taùn. Baûng 4.20 lieân quan ñeán caùc vaán ñeà beå phaân huûy sinh hoïc daïng vi khuaån baùm dính, ñoù laø beå loïc yeám khí vaø UASB. 7.5 Saûn Xuaát Biogas Tyû leä naêng suaát biogas hình thaønh tính treân moät ñôn vò khoái löôïng chaát thaûi höõu cô coù theå bieán ñoåi raát lôùn tuøy thuoäc vaøo vaät lieäu ñaàu vaøo vaø ñieàu kieän moâi tröôøng trong beå phaân huûy, khoaûng biogas saûn xuaát laø: 0.2 – 1.11 m3/kg chaát raén khoâ, CH4 chieám töø 57 – 69%. Trong quaù trình phaân huûy yeám khí, löôïng chaát höõu cô coù theå phaân huûy baèng phöông phaùp (BODL) ñöôïc bieán ñoåi thaønh caùc saûn phaåm chính laø: 1. CH4, CO2, NH3, H2 vaø caùc loaïi khí khaùc 2. Teá baøo sinh hoïc 14

Chaát HC saûn xuaát CH4 = Chaát HC oån ñònh – Chaát HC duøng ñeå saûn xuaát teá baøo (7-6) = BODL oån ñònh - BODL saûn xuaát teá baøo (7-7) Moái quan heä giöõa BODL vaø CH4 hình thaønh ñöôïc moâ taû nhö sau: C6H12O6

→ 3CH4 + 3CO2

(7-8)

3CH4 + 6O2

→

(7-9)

3CO2 + 6H2O

Töø phöông trình caân baèng phaûn öùng ta coù: 180 kg glucose saûn xuaát 48 kg CH4 180 kg glucose saûn xuaát 192 kg BODL Do ñoù 1 kg BODL saûn xuaát: = (48/180) x (180/192) kg CH4 = 0.25 kg CH4 = 0.25 kg x (103 mol/16 kg) x (22.4 l/mol) x (1m3/103l) = 0.35 m3 CH4 ôû ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát chuaån (STP), standard temperature and pressure) Theå tích CH4 saûn xuaát m3/ngaøy = 0.35 (BODL oån ñònh – BODL saûn xuaát teá baøo)

(7-10)

Ta coù BODL oån ñònh = EQSo (103g/kg)-1 kg/ngaøy

(7-11)

Trong ñoù: E: hieäu quaû oån ñònh chaát thaûi Q: löu löôïng nöôùc thaûi m3/ngaøy So: BOD ñaàu vaøo, g/m3 C5H7O2N + 5O2 → 5 CO2 + NH3 + 2H2O + naêng löôïng kg O2 160 = = 1.42 hay laøBODL = 1.42 kg teábaøo 113

∗

PX

Trong ñoù: Px : khoái löôïng teá baøo ñöôïc saûn xuaát

15

(7-12)

Töø phöông trình Monod, vaø caân baèng vaät chaát trong beå phaûn öùng khoâng coù hoaøn löu teá baøo, Px tính theo kg/ngaøy coù theå bieåu dieãn nhö sau: PX =

QYES O × 10 −3 1 + k dθ c

(7-13)

Trong ñoù: Y: heä soá sinh tröôûng vi khuaån yeám khí (thoâng thöôøng 0.05) Kd: haèng soá toác ñoä phaân huûy noäi baøo vi khuaån yeám khí (0.01 – 0.03 ngaøy-1) θc: thôøi gian löu cuûa teá baøo, ngaøy Thay theá 7–11, 7–12 vaø 7-13 vaøo 7-10 ta coù: Theå tích CH4 taïo ra laø: m3/ngaøy = 0.35 EQSO(10-3)[(1 -

1.42Y 1 + K dθ c

(7-

14) Neáu bieát ñöôïc caùc giaù trò Y, Kd, E thì coù theå tính ñöôïc giaù trò CH4. Ghi chuù: phöông trình (7-14) chæ aùp duïng ñoái vôùi beå phaân huûy yeám khí, aùp duïng cho tröôøng hôïp taêng tröôûng teá baøo daïng phaân taùn vaø khoâng coù hoaøn löu buøn. Ví duï 7.1: Nhaø maùy saûn xuaát boät mì, nöôùc thaûi coù ñaëc tính nhö sau: Löu löôïng Q

= 100 m3/ngaøy

BOD5 = 10,000 mg/l HRT = 10 ngaøy Xaùc ñònh soá löôïng CH4 ñöôïc saûn xuaát töø beå phaân huûy daïng taêng tröôûng phaân taùn teá baøo khi xöû lyù chaát thaûi naøy vaø kích thöôùc beå phaân huûy. Giaû söû raèng caùc giaù trò nhö sau: θc:10 ngaøy, θ = 10 ngaøy, E = 0.65, Y:0.05 vaø Kd:0.02 ngaøy-1 Giaûi ñaùp: CH4 ñöôïc saûn xuaát laø = 0.35(0.65)(100)(10,000)(10-3) x [1 -  = 214 m3/ngaøy 16

1.42(0.05) ] 1 + 0.02(10)

Theå tích beå phaân huûy: 100m3/ngaøy x 10 ngaøy = 1,000 m3 Do theå tích beå quaù lôùn, do ñoù coù theå chia beå ra laøm 2, moãi beå coù theå tích laø: 500m3. Ví duï 7.2: Moät hoä gia ñình coù 5 ngöôøi caàn khoaûng 10m3 methane ñeå söû duïng sinh hoaït haèng ngaøy. Xaùc ñònh kích thöôùc beå phaân huûy biogas vaø caùc böôùc trong quaù trình vaän haønh ñeå laøm toái öu löôïng saûn xuaát. Vaät lieäu thoâ ban ñaàu laø buøn vaø rôm.

17

Buøn

Rôm

48

43

4.5

0.9

Toång chaát raén bay hôi (TVS), % toång chaát raén

86

77

Ñoä aåm

82

14

Carbon höõu cô (C), % toång chaát raén (N), % toång chaát raén

Khoái löôïng rieâng cuûa buøn laø 1.1 kg/l vaø cuûa rôm laø 0.1 kg/l; thôøi gian löu nöôùc trong beå laø (HRT) laø 30 ngaøy. Goïi m1 vaø m2 laø khoái löôïng khoâ cuûa buøn vaø rôm duøng ñeå cho vaøo beå phaân huûy (kg/ngaøy). Ñieàu kieän toái öu ñeå phaân huûy kî khí laø C/N = 25/1. 0.48 m1 + 0.43 m2 0.045 m1 + 0.009 m2 |

= 25 ⇒ m2/m1 = 0.645/0.205 = 3.15

(7-15)

Choïn tyû leä methane ñöôïc saûn xuaát laø: 0.3m3/kg TVS (toång chaát raén bay hôi) Do ñoù TVS caàn thieát laø: 10/0.3 # 33.33 kg Hay laø: 0.86 m1 + 0.77 m2 = 33.33

(7-16)

Döïa vaøo phöông trình (7-15) vaø (7-16) ta coù keát quaû: m1 = 10.16 kg/ngaøy m2 = 32 kg/ngaøy - Khoái löôïng öôùt cuûa buøn laø: 10.16/0.18 = 56.44 kg/ngaøy - Khoái löôïng öôùt cuûa rôm laø: 32/0.86 Theå tíchcuûa beå phaân huûy =

= 37.22 kg/ngaøy

Toång chaát raén bayhôi/ngaøy 3 Chaát raén bayhôi söûduïng/m − ngaøy

Thoâng thöôøng chaát raén bay hôi söû duïng/ ngaøy = 1 – 4 kg VS/(m3 – ngaøy) Choïn 2 kg VS/m3-ngaøy Theå tích beå phaân huûy laø: 33.33/2 # 17 m3; theå tích löu giöõ gas baèng 1/3 theå tích beå

18

Ñeå cung caáp moät khoaûng khoâng gian löu giöõ gas thì theå tích beå phaân huûy laø 22-25m3. Thôøi gian löu beå thoâng thöôøng töø 10 –60 ngaøy, choïn trò soá 30 ngaøy. Theå tích chaát thaûi cho vaøo beå moãi ngaøy laø 17m3/ 30 ngaøy = 0.57m3/ngaøy = 570 l/ngaøy. Theå tích chaát thaûi cho vaøo beå phaân huûy moãi ngaøy laø: (56.44/1.1) + (37.22/0.1) = 423.5 lít Vaäy theå tích nöôùc cho vaøo chaát thaûi moãi ngaøy laø 570 – 423.5 = 146.5 l/ngaøy. 7.6 Saûn Phaåm Quaù Trình Phaân Huûy Yeám Khí 7.6.1 Biogas Döïa vaøo giaù trò nhieät naêng cuûa biogas (4.500 – 6.300 kcal/m3). Hesse (1982) öôùc tính khi ñoát hoaøn chænh 1 m3 biogas coù theå: 1. Chaïy 1 ñoäng cô 2HP trong 2 giôø 2. Cung caáp 1.25 kw-h ñieän 3. Cung caáp nhieät ñeå naáu 3 böõa aên trong 1 ngaøy cho 5 ngöôøi 4. Cung caáp 6h cho 1 boùng ñeøn 60W 5. Chaïy 1 tuû laïnh coâng suaát 1m3 khoaûng 1h 6. Chaïy 1 maùy uû coâng suaát 1 m3 khoaûng 0.5h Vì vaäy, 1m3 biogas # 0.4kg daàu diesel; 0.6 kg xaêng; hoaëc 0.8 kg than. Taïi Trung Quoác 5.2% daân soá vuøng noâng thoân vaø taïi Aán Ñoä 0.8% ngöôøi daân noâng thoân söû duïng biogas. Khoaûng 95% nhaø maùy saûn xuaát biogas taïi Chaâu AÙ daïng söû duïng trong gia ñình. Do ñoù muïc ñích söû duïng cô baûn cuûa hoï laø naáu aên vaø thaép saùng, 5% coøn laïi söû duïng nhö tuû laïnh, phaùt ñieän, bôm nöôùc töôùi tieâu. Biogas töø quaù trình phaân huûy phaân gia suùc vaø caùc loaïi saûn phaåm thöøa töø thöïc vaät thoâng thöôøng, haøm löôïng H2S khoâng caàn phaûi loaïi tröø cho muïc ñích naáu aên vaø thaép saùng. Neáu gas löu tröõ vaø chuyeân chôû thì H2S ñöôïc loaïi tröø ñeå traùnh aên moøn.  Moät soá phöông phaùp ñeå laøm tinh khieát saûn phaåm biogas: - Loaïi tröø CO2: 19

CO2 tan töông ñoái toát trong nöôùc, do ñoù duøng thaùp röûa nöôùc laø phöông phaùp ñôn giaûn nhaát ñeå loaïi tröø CO2 töø biogas. Phöông phaùp naøy coù nhöôïc ñieåm laø caàn löôïng nöôùc raát lôùn. Giaû söû biogas chieám 35% CO2 vaø khoái löôïng rieâng cuûa CO2 laø 1.84 kg/m3 ôû ñieàu kieän 1 atm, 20oC thì löôïng nöôùc caàn thieát laø 429 lít ñeå röûa 1m3 biogas. CO2 chuyeån sang daïng khí acid, coù theå haáp phuï baèng dung dòch kieàm. 3 loaïi hoùa chaát kieàm duøng ñeå haáp phuï laø: NaOH, Ca(OH)2, KOH. 2 phaûn öùng lieân tuïc nhau (consecutive) duøng ñeå loaïi tröø CO2 baèng dung dòch NaOH laø: NaOH

+ CO2 → Na2CO3 + H2O

Na2CO3 + CO2 + H2O → NaHCO3↓

(7-17) (7-18)

NaHCO3 keát tuûa vaø coù theå loaïi tröø khoûi dung dòch. Voâi hay laø Ca(OH)2 thì phong phuù hôn vaø khoâng ñaét tieàn, do ñoù coù theå söû duïng ñeå loaïi tröø CO2. Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

(7-19)

CaCO3 keát tuûa vaø coù theå loaïi tröø ra khoûi dung dòch. Döïa vaøo phöông trình (7-19) 1kg voâi trong 1m3 nöôùc coù theå loaïi tröø 300 lít CO2 hoaëc 860 lít biogas (giaû söû CO2 chieám 35%) - Loaïi tröø H2S: Na2CO3 hình thaønh trong phöông trình (6-17) coù theå duøng loaïi tröø H2S töø biogas, thôøi gian tieáp xuùc caàn ñuû lôùn ñeå caùc phaûn öùng xaûy ra. H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3↓

(7-20)

Phöông phaùp ñôn giaûn hôn vaø kinh teá laø cho lôùp maïc saét (iron filing) hoaëc oxyt saét Fe2O3 troän vôùi goã baøo (voû baøo) (shaving). Phöông phaùp naøy goïi laø “röûa khí thoâ”. Phaûn öùng trong quaù trình loaïi tröø H2S laø: Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O

(7-21)

Fe2O3 coù theå phuïc hoài baèng caùch phôi hoaëc laøm noùng Fe2S3 trong khoâng khí (hoaëc oxygen) theo phaûn öùng sau ñaây: 20

2Fe2O3 + 3O2 → 2Fe2O3 + 3S2 7.6.2 Buøn töø beå phaân huûy Maëc duø sau quaù trình phaân huûy haøm löôïng caùc chaát höõu cô, chaát raén vaø nitrogen ñaõ giaûm nhöng noàng ñoä vaãn ôû möùc cao, neân caàn phaûi xöû lyù tröôùc khi thaûi boû. Buøn coøn chöùa nhieàu loaïi maàm beänh, do ñoù caàn phaûi chuù yù khi tieán haønh thaûi boû. Haøm löôïng N trong buøn cao coù theå duøng ñeå laøm uû phaân compost, duøng ñeå laøm thuùc aên trong ao caù vaø phaân boùn cho ñaát.

21