Luận văn Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt động chăn nuôi tại huyện Thanh liêm, tỉnh Hà Nam

ạ, * Nước thải chăn nuôi Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước thải của gia súc, nước vệ sinh gia súc, chuồng trại. Mức độ ô nhiễm chất thải chăn nuôi khác nhau tùy theo cách thức làm vệ sinh chuồng trại khác nhau (Có hốt phân hay không hốt phân trước khi tắm rửa, số lần tắm rửa cho gia súc và vệ sinh chuồng trại trong một ngày). 5 Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải từ các ngành công nghiệp khác (axít, kiềm, kim loại nặng, chất ôxy hóa, hóa chất công nghiệp,) nhưng chứa nhiều vi khuẩn, ấu trùng, giun sán có nguy cơ gây ra nhiều ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người. Trong nước thải, chất hữu cơ chiếm 70 – 80% gồm cellulose, protit, axít amin, chất béo, hydrat cacbon. Các chất vô cơ chiếm 20 – 30% gồm cát, đất, muối, urê, amonium. [7] b. Khí thải Khí thải chuồng được tạo ra từ quá trình lên men phân hủy phân, nước tiểu gia súc, thức ăn dư thừaCường độ của mùi phụ thuộc mức độ thông thoáng của chuồng nuôi, tình trạng vệ sinh, mật độ nuôi, điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm. Thành phần các chất khí trong chuồng nuôi cũng biến đổi tùy theo giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ, thành phần thức ăn, hệ thống vi sinh vật và sức khỏe của vật nuôi. NH3 và H2S được hình thành chủ yếu từ quá trình phân hủy của phân do các vi sinh vật gây mùi hôi, ngoài ra NH3 còn được sinh ra từ sự phân giải urê từ nước tiểu [7]. Thành phần các khí trong chuồng nuôi biến đổi tùy theo giai đoạn phân hủy chất thải hữu cơ, tùy theo thành phần của thức ăn, hệ thống vi sinh vật và tình trạng sức khỏe của vật nuôi. Khí sinh ra chủ yếu là NH3, H2S, CH4 và CO2 1.1.2. Ảnh hưởng chất thải chăn nuôi tới môi trường và sức khỏe a. Ô nhiễm môi trường nước Nồng độ chất hữu cơ cao trong nước thải chăn nuôi lợn khi xảy ra quá trình phân hủy sẽ làm giảm nồng độ ôxy hòa tan trong nước, gây thiếu ôxy cho các quá trình hô hấp của hệ thủy sinh vật. Quá trình phân hủy chất hữu cơ còn tạo môi trường phân hủy yếm khí sinh ra các hợp chất độc và những loài tảo độc tác động xấu đến hệ sinh thái trong vùng. Khi các hệ sinh vật nước bị suy giảm sẽ gây mất cân bằng sinh thái, cản trở quá trình tự làm sạch của sông, ao hồ. Con người, động vật, thực vật gián tiếp sử dụng nguồn nước này cũng sẽ bị tác động và ảnh hưởng xấu. Nhiều khu vực chăn nuôi nước thải vẫn không qua hệ thống xử lý mà thải trực tiếp ra môi trường bên ngoài (Kênh rạch, sông, ao hay cống thoát nước chung của khu vực). Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải chăn nuôi của Viện 6 Công nghệ Môi trường Hà Nội [18] cho thấy nồng độ chất ô nhiễm ở một số trại lợn khu vực phía Bắc là rất cao. Bảng 1.3. Thành phần nước thải ở một số trại lợn khu vực phía bắc pH T 0 C COD (mg/l) T-N (mg/l) N-NH4 + (mg/l) T-P (mg/l) SS (mg/l) Vĩnh Phúc 7,32 29 4590 967,3 870 295 9520 Hưng Yên 7,87 30,5 3584 202 158 54,9 1880 Thái Bình 7,3 30 2575 425 425 102 800 Hà Nội 7,5 32 7219 247 237 120 3200 (Viện Công nghệ Môi trường Hà Nội, 2012) Ngoài ra, trong phân gia súc, gia cầm còn chứa nhiều loại vi khuẩn, vi trùng hoặc trứng giun sán. Chúng sẽ là nguồn gây bệnh cho con người cũng như những động vật khác. Bên cạnh đó, nước thải chăn nuôi có thể thấm xuống đất vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đặc biệt là những giếng mạch nông gần chuồng nuôi. Khi phân hủy, thức ăn gia súc là những hợp chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, giàu Nitơ, Phốt pho và một số thành phần khác, tạo ra nhiều hợp chất như: Axít amin, axít béo, các chất khí CO2, CH4, H2S, NH3 gây mùi khó chịu và độc hại. Đồng thời, sự phân hủy những hợp chất này còn làm thay đổi pH tạo điều kiện bất lợi cho quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm. Quá trình chuyển hóa urê trong nước tiểu động vật cũng góp phần đáng kể trong việc gây ô nhiễm môi trường nước. b. Ô nhiễm môi trường không khí Những khí thải trong chăn nuôi: NH3, H2S, CH4 và CO2 tạo nên mùi hôi thối trong hầu hết khu vực chăn nuôi, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, sức khỏe con người và các loài động vật khác. * Ảnh hưởng của khí NH3 [15] Trong chăn nuôi lợn, lượng nước tiểu sinh ra chủ yếu là khí NH3. Chất khí này ở nồng độ cao kích thích mạnh lên niêm mạc, mặt, mũi, đường hô hấp dễ dị ứng tăng tiết dịch, hay gây phỏng do phản ứng kiềm hóa kèm theo tỏa nhiệt, gây co thắt 7 khí quản và gây ho. Đặc biệt, nó có thể hủy hoại đường hô hấp, từ phổi vào máu, lên não gây nhức đầu và có thể dẫn đến hôn mê. Trong máu, NH3 bị ôxy hóa tạo thành NO2 làm hồng cầu trong máu chuyển động hỗn loạn, ức chế chức năng vận chuyển ôxy đến các cơ quan, làm cho trẻ bị xanh xao, trường hợp nặng có thể gây thiếu ôxy ở não, dẫn đến nhức đầu, mệt mỏi, hôn mê thậm chí có thể tử vong . Tác hại của amoniac lên người, gia súc, gia cầm được thể hiện trong Bảng 1.4 Bảng 1.4. Tác hại của amoniac lên người, gia súc, gia cầm [15] Đối tƣợng Nồng độ NH3 Tác hại Người Liên tục tiếp xúc > 6 – 20 ppm Ngứa mắt, khó chịu ở đường hô hấp 100 ppm trong 1 giờ Ngứa ở bề mặt niêm mạc 400 ppm trong 1 giờ Ngứa ở mặt, mũi, cổ họng 1720 ppm (<30 phút) Ho, co giật dẫn đến tử vong 700 ppm (<60 phút) Lập tức ngứa mắt, mũi và cổ họng 5000 – 10000 ppm (vài phút) Gây khó thở, ngạt thở, xuất huyết phổi, ngất, có thể tử vong > 10000 ppm Tử vong Lợn > 10 ppm Gia tăng tỷ lệ gia súc bị ho 50 – 100 ppm Giảm tăng trọng/ngày: 12 -13% 61 ppm Giảm 5% lượng ăn Gà > 30 ppm Giảm sản lượng trứng và thịt 30 ppm Gây hội chứng viêm phổi (Dương Nguyên Khang, 2004) * Ảnh hưởng của khí H2S H2S là khí không màu, mùi trứng thối, được sinh ra trong quá trình khử các amin chứa lưu huỳnh trong thời kỳ ủ phân, lưu trữ và xử lý kị khí chất thải. H2S là khí kích thích và gây ngạt. Các phản ứng kích thích trực tiếp vào mô gây viêm màng kết. Hít phải H2S sẽ gây kích thích đối với toàn bộ cơ quan hô hấp và có thể mắc các bệnh về phổi. Ở 1.500 - 3.000 mg/m3 , H2S sẽ hấp thụ từ phổi vào máu gây 8 thở gấp và kìm hãm hoạt động hô hấp [15]. Ở nồng độ cao hơn, H2S ngay lập tức làm tê liệt trung tâm hô hấp. Thông thường nạn nhân sẽ chết do ngạt thở trừ khi được hô hấp nhân tạo kịp thời. Đây là ảnh hưởng độc hại đáng chú ý nhất của độc tính cấp của Hydrosulphur theo đường hô hấp cao, sự kích thích mắt xảy ra ở nồng độ 15-30 mg/m3 [15]. * Ảnh hưởng của khí CH4 Khí mêtan là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ dễ phân hủy trong chất thải chăn nuôi. CH4 là khí không màu, không mùi, có thể cháy. Trong không khí nếu nồng độ CH4 chiếm từ 45% trở lên thì sẽ gây ngạt thở do thiếu ôxy. Nếu tiếp xúc với CH4 ở nồng độ 40000 mg/m 3 sẽ dẫn đến tai biến cấp tính biểu hiện bởi các triệu chứng như tức ngực, chóng mặt, rối loạn giác quan, tâm thần, nhức đầu, buồn nôn, say sẫm Khi hít thở CH4 với nồng độ lên đến 60000 mg/m 3 sẽ dẫn đến hiện tượng co giật, rối loạn tim và hô hấp, thậm chí gây tử vong. Khí mêtan nếu được thu gom có thể sử dụng làm nguồn năng lượng [15]. * Ảnh hưởng của CO2 CO2 là khí không màu, không mùi, không cháy. Trong không khí, nồng độ CO2 khoảng 0,3 – 0,4%. Nồng độ CO2 trong chuồng nuôi phụ thuộc vào nhiệt độ, độ thông thoáng và số lượng vật nuôi vì nó là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải. Khi tiếp xúc với khí CO2 ở nồng độ thấp gây trầm uất, tức giận, ù tai, có thể ngất. Khi tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 10% sẽ gây mệt mỏi, nhức đầu, rối loạn thị giác. Khi tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 20 – 30% ngoài triệu chứng trên còn có thể dẫn đến tim đập yếu, ngừng đập. Khi nồng độ CO2 lên đến 50%, nếu tiếp xúc với khí này trong thời gian khoảng 30 phút sẽ tử vong [15]. * Ảnh hưởng của bụi Bụi trong hoạt động chăn nuôi cũng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gia súc. Bụi bắt nguồn từ thức ăn, phân và các mô biểu bì của da. Bụi mang theo các chất độc, chất lơ lửng và nhiều vi sinh vật gây bệnh. Khi người tiếp xúc với bụi sẽ bị viêm đường hô hấp, đặc biệt khi hít phải các bụi có kích thước < 5 µm (Hạt bụi 9 nhỏ nên mũi không lọc được) sẽ kích thích tiết dịch và ho, rối loạn hô hấp và tổn thương niêm mạc, tạo điều kiện cho vi sinh vật gây bệnh vào cơ thể người [15]. c. Ô nhiễm môi trường đất Chất thải chăn nuôi không qua xử lý, được mang đi sử dụng cho trồng trọt như tưới nước, bón cho cây, rau, củ,Những thực phẩm này làm thức ăn cho người và động vật rất nguy hiểm. Nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng tồn tại của mầm bệnh trong đất, cây cỏ có thể gây bệnh cho con người và gia súc; đặc biệt là các bệnh về đường ruột như thương hàn, phó thương hàn, viêm gan, giun sán, 1.1.3 Các phương pháp xử lý và tận dụng chất thải chăn nuôi Nhiều biện pháp xử lý kỹ thuật khác nhau đã được áp dụng nhằm giảm thiểu những tác động xấu đến trường do ô nhiễm từ chất thải chăn nuôi.. Trong đó, việc quy hoạch và giám sát quy hoạch cả tổng thể và chi tiết chăn nuôi là biện pháp quan trọng có tầm chiến lược. Kỹ thuật xử lý chất thải chăn nuôi là áp dụng các phương pháp lý học, hóa học và sinh học để giảm thiểu ô nhiễm môi trường [23] a. Xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm Biogas (Hệ thống khí sinh học). Trong thực tiễn, tùy điều kiện từng nơi, từng quy mô trang trại có thể sử dụng loại hầm (công trình) khí sinh học cho phù hợp. Xử lý chất thải chăn nuôi bằng công trình khí sinh học (KSH) được đánh giá là giải pháp hữu ích nhằm giảm khí thải methane (Khí có khả năng gây hiệu ứng nhà kính) và sản xuất năng lượng sạch. Hiện nay, việc sử dụng hầm Biogas đang được người chăn nuôi quan tâm vì vừa bảo vệ được môi trường vừa có thể thay thế chất đốt hoặc có thể được sử dụng cho chạy máy phát điện, tạo ra điện sinh hoạt gia đình và điện phục vụ trang trại. Hình 1.1. Bể KSH composite và túi khí dự trữ Công trình khí sinh học góp phần giảm phát thải theo 3 cách sau: 10 Thứ nhất: Giảm phát thải khí methane từ phân chuồng; Thứ hai: Giảm phát thải khí nhà nhà kính do giảm sử dụng chất đốt truyền thống; Thứ ba: Giảm phát thải khí nhà kính do sử dụng phân từ phụ phẩm KSH thay thế phân bón hóa học. Như vậy nhờ có công trình khí sinh học mà lượng lớn chất thải chăn nuôi trong nông hộ sẽ được xử lý tạo ra chất đốt và chính điều đó sẽ góp phần giảm phát thải khí nhà kính rất hiệu quả. b. Xử lý chất thải bằng chế phẩm sinh học. * Xử lý môi trƣờng bằng men sinh học: Dùng bổ sung vào nước thải, dùng phun vào chuồng nuôi, vào chất thải để giảm mùi hôi, dùng trộn vào thức ăn Một số men bổ sung làm giảm ô nhiễm trong chăn nuôi được thể hiện trong Bảng 1.5 Bảng 1.5. Một số chất men bổ sung TT Chất men Bản chất Tác dụng Xuất xứ 1 Deodorase Chất tách từ thảo mộc Giảm khả năng sinh NH3 Thái Lan, Đức 2 EM Tổ hợp nhiều loại vi sinh vật Tăng hấp thụ TA. giảm bài tiết chất DD qua phân Nhật Bản 3 EMC Thảo mộc, khoáng chất thiên nhiên Giảm sinh NH3, H2S, SO2, giải độc đường TH Việt Nam 4 Kemzym Enzym tiêu hóa Tăng hấp thụ TA. giảm bài tiết chất DD qua phân Thái Lan, Đức 5 Pyrogreen Hóa sinh thiên nhiên Giảm khả năng sinh NH3 Hàn Quốc 6 Yeasac Tế bào men Sacharomyces Tăng hấp thụ TA. giảm bài tiết chất DD qua phân Đức, Thái Lan 7 Lavedae Hóa chất Diệt dòi phân Thái Lan, 11 Đức 8 DK, Sarsapomin 30 Chất chiết từ thảo mộc Giảm khả năng sinh NH3 Hoa Kỳ * Chăn nuôi trên đệm lót sinh học Chăn nuôi trên đệm lót sinh học là sử dụng các phế thải từ chế biến lâm sản (Phôi bào, mùn cưa) hoặc phế phụ phẩm trồng trọt (Thân cây ngô, đậu, rơm, rạ, trấu, vỏ cà phê ) cắt nhỏ để làm đệm lót có bổ sung chế phẩm sinh học. Sử dụng chế phẩm sinh học trên đệm lót là sử dụng “bộ vi sinh vật hữu hiệu” với mong muốn là tạo ra lượng vi sinh vật hữu ích đủ lớn trong đệm lót chuồng nhằm tạo vi sinh vật có lợi đường ruột, tạo các vi sinh vật sinh ra chất ức chế nhằm ức chế và tiêu diệt vi sinh vật có hại, để các vi sinh vật phân giải chất hữu cơ từ phân gia súc gia cầm, nước giải giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hình 1.2. Chăn nuôi trên đệm lót sinh học Theo kết luận trên thì chăn nuôi trên đệm lót sinh học giảm gây ô nhiễm môi trường và phù hợp nhất đối với mô hình chăn nuôi nông hộ. Tuy nhiên điều đáng lưu ý là đệm lót sinh học kỵ nước, sinh nhiệt nên địa hình cao ráo và việc làm mát, tản nhiệt khi thời tiết nóng cần phải được quan tâm. c. Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ (Compost). Xử lý chất thải bằng hữu cơ (Compost) là sử dụng chủ yếu bã phế thải thực vật, phân của động vật mà thông qua hoạt động trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật phân hủy và làm tăng cao chất lượng của sản phẩm, tạo nên phân bón hữu cơ giàu chất dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng. Người ta chọn chỗ đất không ngập nước, 12 trải một lớp rác hoặc bã phế thải trồng trọt dầy khoảng 20cm, sau đó lót một lớp phân gia súc hoặc gia cầm khoảng 20-50% so với rác (Có thể tưới nếu phân lỏng, mùn hoai), tưới nước để có độ ẩm đạt 45-50% rồi lại lại trải tiếp một lớp rác, bã phế thải trồng trọt lên trên đến khi đống ủ đủ chiều cao (Không sử dụng cỏ tranh, cỏ gấu để ủ). Dùng tấm ni lông, bạt đủ lớn để che kín đống phân ủ. Cứ khoảng một tuần đảo đều đống phân ủ và bổ sung nước cho đủ độ ẩm khoảng 45-50%, che ni long, bạt kín lại như cũ. Ủ phân bằng phương pháp này hoàn toàn nhờ sự lên men tự nhiên, không chất thải bằng hữu cơ (Compost) là sử dụng chủ yếu (Tuy nhiên nếu được bổ sung men vào đống ủ thì tốt hơn). Hình 1.3. Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ Trong phân ủ có chứa chất mùn làm đất tơi xốp, tăng dung lượng hấp thụ khoáng của cây trồng, đồng thời có tác dụng tốt đến hệ vi sinh vật có ích trong đất. Phân ủ còn có tác dụng tốt đối với tính chất lý hoá học và sinh học của đất, không gây ảnh hưởng xấu đến người, động vật và giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường sinh thái. d, Xử lý bằng công nghệ ép tách phân Dựa trên nguyên tắc “lưới lọc” máy ép có thể tách hầu hết các tạp chất nhỏ đến rất nhỏ trong hỗn hợp chất thải chăn nuôi, tùy theo tính chất của chất rắn mà có các lưới lọc phù hợp. Khi hỗn hợp chất thải đi vào máy ép qua lưới lọc thì các chất rắn được giữ lại, ép khô và ra ngoài để xử lý riêng còn lượng nước theo đường riêng chảy ra ngoài hoặc xuống hầm KSH xử lý tiếp. Độ ẩm của sản phẩm (Phân khô) có thể được điều chỉnh tùy theo mục đích sử dụng. Quá trình xử lý này tuy đầu tư ban đầu tốn kém hơn nhưng rất hiện đại, nhanh, gọn, ít tốn diện tích và đang là một 13 trong những biện pháp hiệu quả nhất đối với các trang trại chăn nuôi lợn, trâu bò theo hướng công nghiệp hiện nay. e, Xử lý nước thải bằng ô xi hóa. Phương pháp này thường được dùng đối với các bể lắng nước thải. - Xử lý bằng sục khí. Ở các bể gom nước thải (Không phải là KSH) người ta dùng máy bơm sục khí xuống đáy bể với mục đích làm cho các chất hữu cơ trong nước thải được tiếp xúc nhiều hơn với không khí và như vậy quá trình ô xi hóa xảy ra nhanh, mạnh hơn. Đồng thời kích thích quá trình lên men hiếu khí, chuyển hóa các chất hữu cơ, chất khí độc sinh ra trở thành các chất ít gây hại tới môi trường. Sau khi lắng lọc nước thải trong hơn giảm ô nhiễm môi trường và có thể dùng tưới cho ruộng đồng - Xử lý bằng ô-zôn (O3). Để xử lý nhanh, triệt để các chất hữu cơ và các khí độc sinh tra trong các bể gom nước thải, bể lắng, người ta đã bổ sung khí ô-zôn (O3) vào quá trình sục khí xử lý hiếu khí nhờ các máy tạo ô-zôn công nghiệp. Ô-zôn là chất không bền dễ dàng bị phân hủy thành ôxy phân tử và ôxy nguyên tử: O3 → O2 + O. Ôxy nguyên tử tồn tại trong thời gian ngắn nhưng có tính ô xi hóa rất mạnh làm cho quá trình xử lý chất thải nhanh và rất hữu hiệu. Ngoài ra quá trình này còn tiêu diệt được một lượng vi rút, vi khuẩn, nấm mốc và khử mùi trong dung dịch chất thải. So với phương pháp sục khí thì phương pháp này có tốn kém hơn nhưng hiệu quả hơn. - Xử lý bằng Hiđrô perôxit H202 Hiđrô perôxit H202 (Ô-xi-già) thường được ứng dụng rộng rãi như: Tẩy rửa vết thương trong y tế, làm chất tẩy trắng trong công nghiệp,chất tẩy uế, chất ôxi hóaNgười ta cũng có thể bổ sung Hiđrô perôxit H202 (Ô-xi-già) vào trong nước thải để xử lý môi trường. Ô-xi-già là một chất ô xi hóa-khử mạnh. Thông thường ô- xi-già phân hủy một cách tự nhiên theo phản ứng tỏa nhiệt thành nước và khí ôxy như sau: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 + Nhiệt lượng. Trong quá trình phân hủy (phản ứng xảy ra mạnh mẽ khi có xúc tác), đầu tiên ô xi nguyên tử được tạo ra và tồn tại trong thời gian rất ngắn rồi nhanh chóng thành khí ô xi O2. Ôxi nguyên tử có tính ôxi hóa rất mạnh vì vậy đã ô xi hóa các chất hữu cơ, diệt khuẩn, khử mùi hiệu quả trong 14 dung dịch chất thải. Bổ sung ô-xi-già vào nước thải xử lý môi trường tuy có tốn kém chút ít nhưng hiệu quả cao 1.2. Tổng quan về khí sinh học 1.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình lên men tạo khí sinh học Quá trình phân huỷ tạo khí mêtan là một quá trình phức tạp gồm 3 giai đoạn chính với sự tham gia của nhiều loài VSV khác nhau, sản phẩm cuối cùng của quá trình là một hỗn hợp khí gọi là khí sinh học mà thành phần chủ yếu là khí CH4. Phương trình tổng quát của quá trình lên men được biểu diễn trong Hình 1.4: * Giai đoạn thuỷ phân Ở giai đoạn này, các vi khuẩn (VK) lên men và thuỷ phân tiết ra một loại men (gọi là men hydrolaza) phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp, không tan thành các chất hữu cơ đơn giản và tan được. Ví dụ: Các chất cacbohydrat (chủ yếu là xenluloza và tinh bột), chất béo, protein bị thuỷ phân biến thành các chất như đường (1.4) Hình 1.4. Quá trình lên men tạo Khí sinh học 15 đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin dễ tan trong nước. Như vậy các chất cao phân tử đã chuyển hoá thành các chất đơn phân tử, sau đó lại được lên men thành những chất trung gian mà chủ yếu là axetat, propionat và butyrat. * Giai đoạn sinh axit Với sự có mặt của các loài VK sinh axit, các axit béo bậc cao và axit amin thơm được sinh ra ở giai đoạn đầu bị phân huỷ thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như các axit axetic, axit propionic, axit butyric... Các aldehyt, rượu và một số loại khí như nitơ, hydro, cácbonic, amoniac... Cả giai đoạn thuỷ phân và giai đoạn sinh axit nhu cầu oxy sinh học (BOD) bằng không, ở giai đoạn này do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường giảm mạnh. * Giai đoạn sinh mêtan Đây là giai đoạn quan trọng của toàn bộ quá trình, dưới tác dụng của các vi khuẩn sinh mêtan các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác như axit axetic, axit fomic, hydrocid cácbon ... Biến thành khí mêtan, khí cácbonic, oxy, nitơ, khí sunfua hydro... * Mối quan hệ giữa các quá trình lên men Trong thực tế 3 giai đoạn trên xảy ra song song và đồng bộ với nhau. Sản phẩm sinh ra ở giai đoạn này được sử dụng làm cơ chất cho giai đoạn sau. Nếu vì lý do nào đó mà các giai đoạn không ăn khớp với nhau sẽ phá vỡ cân bằng động của quá trình và ảnh hưởng rất lớn đến năng suất các sản phẩm cuối cùng của quá trình. Như trong trường hợp axit sinh ra quá nhiều ở pha đầu, mà các vi khuẩn sinh mêtan không tiêu thụ kịp, dẫn đến lượng axit của môi trường tăng, độ pH giảm mạnh, ức chế quá trình hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan và nếu quá nhiều sẽ làm cho quá trình phân huỷ ngừng hẳn. 1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng của quá trình lên men tạo KSH Quá trình phân huỷ tạo KSH chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Những yếu tố quan trọng nhất và cần thiết trong xây dựng, vận hành thiết bị, đảm bảo cho thiết bị vận hành ổn định và sản sinh ra lượng KSH như mong muốn gồm a. Mức độ kỵ khí 16 Sự có mặt của oxy hoà tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi cho quá trình phân huỷ kỵ khí. Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh mêtan là những VK quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện kỵ khí tuyệt đối của môi trường lên men. b. Nhiệt độ Hoạt động của VK sinh mêtan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ [1]. Trong điều kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 350C. Sản lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm, dưới 100C quá trình sinh mêtan hầu như ngừng hẳn. Các VK sinh mêtan không chịu được sự thay đổi nhiệt độ quá nhiều trong ngày. Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí. Vì vậy vào mùa đông cần phải giữ ấm cho thiết bị, thậm chí đối với những vùng lạnh cần phải đảm bảo cách nhiệt tốt cho quá trình lên men. Đôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải gia nhiệt cho dịch lên men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men. c. Độ pH Độ pH tối ưu với hoạt động của VK là 6,8 - 7,5 tương ứng với môi trường hơi kiềm. Tuy nhiên VK sinh mêtan vẫn có thể hoạt động được trong giới hạn độ pH từ 6,5 - 8,5. d. Thời gian lưu Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân huỷ. Đây là khoảng thời gian dịch lên men phân huỷ hoàn toàn và tạo ra khí sinh học. Đối với phân động vật thời gian phân huỷ có thể kéo dài tới hàng tháng. Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm. Bảng 1.6. Thời gian lưu của các loại nguyên liệu (ở 270C) [1] Loại phân Trâu, bò Lợn Gia cầm Ngƣời Thời gian lưu (ngày) 50 40 30 60 Đối với thiết bị KSH hoạt động liên tục, thời gian lưu càng lớn thì khí thu được từ một lượng nguyên liệu nhất định càng nhiều. Thời gian lưu được chọn còn 17 dựa trên đặc điểm thời tiết của khu vực và loại nguyên liệu nạp của địa phương. Ở những vùng có nhiệt độ trung bình cao có thể chọn thời gian lưu ngắn hơn và ngược lại. e. Hàm lượng chất khô Hàm lượng chất khô là tỷ lệ giữa khối lượng chất khô và tổng khối lượng của nguyên liệu, hệ số này thường được biểu thị là phần trăm. Quá trình phân huỷ sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 - 9%. Đối với bèo tây hàm lượng này là 4 - 5%, còn rơm rạ là 5 - 8%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị KSH cần phải pha thêm nước. Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 2 - 4 lít nước cho 1 kg phân tươi. f. Tỷ lệ cácbon và nitơ của nguyên liệu (C/N) Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học trong đó chủ yếu là cacbon (C), hydrô (H), nitơ (N), phôtpho (P) và lưu huỳnh (S). Tỷ lệ giữa trọng lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amôniắc là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao. Nói chung phân trâu, bò có tỷ lệ C/N thích hợp. Phân người và gia cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu càng già thì tỷ lệ này càng cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp đối với các loại nguyên liệu này ta nên dùng hỗn hợp nhiều nguyên liệu. Bảng 1.7. Tỷ lệ cácbon và nitơ của một số chất [1, tr 98] Chất thải Tỷ lệ (C/N) Thực vật Tỷ lệ (C/N) Phân bò 24 - 25 Bèo tây tươi 12 - 25 Phân trâu 24 - 25 Rơm, rạ khô 48 - 117 Phân lợn 12 - 13 Phân gia cầm 5 - 15 18 Phân người 2,9 - 10 g. Các độc tố Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số các độc tố. Trong thực tế các loại thuốc hoá học như thuốc trừ sâu, diệt cỏ, thuốc sát trùng, các chất kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn... Không được phép đổ vào các thiết bị KSH. Tóm tắt các điều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất khí sinh học được cho ở bảng dưới đây. Bảng 1.8. Điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học TT Yếu tố ảnh hƣởng Giá trị tối ƣu 1 Nhiệt độ (0C) 30 - 40 2 pH 6,8 - 7,5 3 Thời gian lưu - Phân động vật (ngày) - Thực vật 30 - 50 100 4 Hàm lượng chất khô (%) - Phân động vật - Thực vật 7 - 9 4 - 8 5 Tỷ lệ C/N 30/1 1.2.3. Thiết bị khí sinh học a. Nguyên lý hoạt động của các thiết bị khí sinh học Nguyên liệu (phân gia súc, phân người, gia cầm,..) được đưa vào bể nạp liệu trộn khuấy đều với nước và theo ống nạp vào bể phân hủy. Quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra trong bể phân hủy. Khí sinh học tạo ra đẩy lên phía trên mặt thoáng của hỗn hợp nguyên liệu - nước trong bể phân hủy. Phần bã sẽ thải theo ống dẫn vào bể chứa nước thải. Có hai phương thức hoạt động chủ yếu là: Hoạt động theo mẻ và hoạt động liên tục * Hoạt động theo mẻ (không liên tục): Toàn bộ nguyên liệu nạp đầy vào thiết bị một lần. Mẻ nguyên này phân huỷ dần và cho khí sử dụng. Sau một thời gian đủ để 19 toàn bộ nguyên liệu được lấy đi và thay vào một mẻ nguyên liệu mới. Đối với thiết bị hoạt động từng mẻ có thể không cần lối vào và lối ra. * Hoạt động liên tục: Nguyên liệu được nạp đầy một lúc mới đưa thiết bị vào làm việc. Sau đó một thời gian ngắn, nguyên liệu được bổ sung thường xuyên vào thiết