Tài liệu Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học biogas của phụ phẩm dứa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ MẠNH TÚC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SINH KHÍ SINH HỌC BIOGAS CỦA PHỤ PHẨM DỨA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ MẠNH TÚC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SINH KHÍ SINH HỌC BIOGAS CỦA PHỤ PHẨM DỨA Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: TS. Phan Thị Tuyết Mai Hà Nội – 2017 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Phan Thị Tuyết Mai – Giảng viên khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã ra đề tài, hướng dẫn, quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm việc tại trường. Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những người thân yêu đã luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện. Đề tài của em được thực hiện tại phòng Thí nghiệm số 2, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đề tài được thực hiện với nguồn kinh phí hỗ trợ từ đề tài đặt hàng của tỉnh Ninh Bình với Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, mã số đề tài 16/HĐ-KHCN. Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2017 Học viên Ngô Mạnh Túc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 3 1.1. Giới thiệu quá trình phân hủy kị khí ............................................................... 3 1.1.1.Biogas là gì? .............................................................................................................. 3 1.1.2.Ứng dụng của biogas .............................................................................................. 3 1.2. Quá trình phân hủy kỵ khí. ............................................................................ 5 1.2.1.Nguyên lý hóa học và sinh học của quá trình phân hủy kị khí .......................... 5 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kị khí. .......................................12 1.3. Công nghệ phân hủy kỵ khí . ........................................................................ 15 1.4. Tình hình phát triển công nghệ biogas.......................................................... 19 1.4.1. Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới .......................................19 1.4.2. Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam .........................................19 1.5. Sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa. ................................................................ 20 1.5.1. Nguồn phụ phẩm dứa trên thế giới và ở Việt Nam. .........................................20 1.5.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa………………… 21 1.5.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men kỵ khí phụ phẩm dứa. ...............23 1.5.4. Các phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa cho quá trình phân hủy kỵ khí. ......25 Chương 2. THỰC NGHIỆM.................................................................................. 29 2.1.Nguyên vật liệu ............................................................................................... 29 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 29 2.1.2. Nguyên liệu và hóa chất sử dụng ................................................................ 29 2.1.3. Trang thiết bị .............................................................................................. 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 30 2.2.1.Thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm ..................................................... 30 2.2.2. Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong quá trình phân hủy kị khí ............. 32 2.2.3. Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa .............................. 32 2.2.4. Phân tích hóa học ....................................................................................... 33 Học viên: Ngô Mạnh Túc 2 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 34 3.1. Nghiên cứu tiềm năng sinh khí biogas của phụ phẩm dứa ............................. 34 3.1.1. Xác định thành phần của phụ phẩm dứa ..................................................... 34 3.1.2. Nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa bằng KOH ........................ 35 3.1.2.1.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH .................................................... 36 3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân .......................................... 38 3.1.3. Nghiên cứu lựa chọn nguồn VSV sinh metan .............................................. 40 3.1.4. Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa .............................. 41 3.2. Nghiên cứu nâng cao năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa ............... 43 3.2.1. Nghiên cứu quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ ........... 43 3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dinh dưỡng C:N .......................................................... 47 3.2.3. Năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa trên hệ thống pilot............... 48 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 51 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 54 Học viên: Ngô Mạnh Túc 3 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ DANH MỤC HÌNH Hình 1: Một số loài vi sinh vật trong quá trình phân hủy kỵ khí…………………….10 Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật. ...................................................11 Hình 3: Bể UASB ....................................................................................................16 Hình 4: Bể tự hoại ....................................................................................................16 Hình 5: Hệ thống lên men kị khí 1 giai đoạn ...........................................................16 Hình 6: Hệ thống lên men kị khí 2 giai đoạn ...........................................................16 Hình 7: Cấu trúc của lignocellulose ........................................................................24 Hình 8: Cấu tạo phân tử cellulose. ..........................................................................24 Hình 9 : Cơ chế tổng quát được đề xuất trong phản ứng thủy phân xenlulo bằng enzym cellulase ..........................................................................................................28 Hình 10: Ảnh các mẫu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa phụ phẩm dứa .................30 Hình 11: Hệ thống đo khí bằng phương pháp cột nước ...........................................32 Hình 12: Theo dõi tổng acid, tổng đường của mẫu vỏ dứa khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH ............................................................................................................37 Hình 13. Theo dõi pH và đường của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng dung dịch KOH 0,02N ...............................................................................................39 Hình 14. Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng KOH 0,02N ................................................................................................................39 Hình 15. Năng suất sinh khí biogas của các mẫu với nguồn VSV khác nhau ..........40 Hình 16. Sự thay đổi mật độ VSVSMT từ Thanh Hóa: a- mẫu ban đầu; b-mẫu sau 18 ngày phân hủy kỵ khí ............................................................................................41 Hình 17. Sự thay đổi pH của các mẫu phụ phẩm dứa với tỷ lệ dinh dưỡng C/N khác nhau trong quá trình phân hủy kỵ khí .......................................................................42 Hình 18: Tổng thể tích khí biogas sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N .......................42 Hình 19: Theo dõi pH, tổng đường, tổng acid của mẫu vỏ dứa trong quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò ..............................................................44 Học viên: Ngô Mạnh Túc 4 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Hình 20. Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò....................................................................................46 Hình 21: Nổng thể tích khí methan sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N .....................48 Hình 22: Đường chuẩn protein tại bước sóng 645nm ..............................................57 Hình 23: Mô hình thiết bị điện di mao quản .............................................................63 Hình 24: Đường chuẩn xác định COD .....................................................................66 Hình 25: Đường chuẩn xác định PO43- .....................................................................68 Hình 26: Đường chuẩn xác định NH4+ ....................................................................71 Học viên: Ngô Mạnh Túc 5 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các vi khuẩn lên men acid ..........................................................................08 Bảng 2: Phân tích thành phần phụ phẩm dứa .........................................................34 Bảng 3: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau 2 tuần thủy phân bằng KOH ...36 Bảng 4: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau quá trình thủy phân bằng dung dịch KOH 0.02M theo thời gian .......................................................................38 Bảng 5: Sự thay đổi pH, tổng đường và tổng acid của dịch phụ phẩm dứa theo thời gian hủy phân, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò ...................................................44 Bảng 6: Kết quả hàm lượng VFA của mẫu dịch phụ phẩm dứa theo thời gian phân hủy, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò ....................................................................45 Bảng 7. Kết quả phân tích thành phần lỏng và rắn của mẫu phụ phẩm dứa sau quá trình thủy phân và axit bằng dung dịch KOH 0,02M và dạ cỏ bò ............................47 Bảng 8: Giá trị tổng thể tích khí biogas và COD của mẫu cơ chất dứa phân hủy trên hệ pilot 35 lít ......................................................................................................49 Học viên: Ngô Mạnh Túc 6 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD (Biochemical oxygen demand): Nhu cầu oxy sinh hóa COD (Chemical oxygen demand): Nhu cầu oxy hóa học UASB (Upflow anearobic sludge blanket): Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kị khí X: Hàm lượng cellulose TS: Tổng chất rắn TS (Turbidity and suspendid solids): Tổng chất rắn lơ lửng VFA (Volatile fatty acid): Acid béo dễ bay hơi VS: Thành phần hữu cơ dễ bay hơi VSV: Vi sinh vật VSVSMT: Vi sinh vật sinh methan Học viên: Ngô Mạnh Túc 7 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ LỜI MỞ ĐẦU Dứa là một trong những cây công nghiệp phát triển mạnh và là đặc sản của nước ta. Các sản phẩm chế biến từ dứa Việt Nam đã và đang xuất khẩu sang nhiều nước trên thế giới. Khối lượng dứa xuất khẩu đang không ngừng gia tăng, đồng nghĩa với lượng phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến là rất lớn vì có đến 70 – 75 % khối lượng dứa là phụ phẩm. Ngoài ra, phụ phẩm từ dứa thải ra sau thu hoạch là rất lớn, lên đến 50 - 60 tấn/ha [5,8,10]. Có thể thấy, lượng phụ phẩm dứa hàng năm là rất lớn, nhưng giá trị sử dụng của nó lại rất ít, chỉ được sử dụng một lượng nhỏ để chế biến thành thức ăn cho gia súc, còn lại đổ bỏ, gây lãng phí, tốn diện tích đất làm bãi chứa, đồng thời, gây ô nhiễm môi trường. Phụ phẩm từ dứa qua quá trình phân hủy tự nhiên tạo ra mùn và gây mùi hôi thối, mùn tạo ra lại rất khó sử dụng làm phân bón vì hàm lượng acid cao gây chai đất và có hại cho cây trồng. Việc chọn giải pháp phù hợp để xử lý nguồn phụ phẩm này, biến chúng trở thành nguồn tài nguyên đang là thách thức đối với các nhà khoa học. Phụ phẩm từ dứa có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, thích hợp cho quá trình xử lý bằng công nghệ lên men kỵ khí sinh khí methan. Trong đó, quá trình thủy phân phụ phẩm dứa là giai đoạn quan trọng đầu tiên quyết định lớn đến hiệu quả của quá trình lên men này. Tuy nhiên, quá trình thủy phân thường xảy ra chậm do sự có mặt một lượng lớn thành phần lignocelluloses trong nguyên liệu. Lignocelluloses có cấu trúc rất vững chắc nên quá trình thủy phân thường rất khó xảy ra hoặc xảy ra rất chậm [14]. Vì thế, nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa nhằm nâng cao khả năng sản xuất khí methan là rất quan trọng. Cho đến nay, công nghệ này vẫn còn mới và chưa phổ biến nhưng cho thấy tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp rẻ tiền và dồi dào ở Việt Nam. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học biogas của phụ phẩm dứa” được đưa ra nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Học viên: Ngô Mạnh Túc 1 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: + Đánh giá tiềm năng sinh khí biogas từ phụ phẩm dứa bằng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn. Nội dung nghiên cứu của đề tài: + Nghiên cứu quá trình tiền xử lý phụ phẩm dứa; + Nghiên cứu lựa chọn nguồn vi sinh vật cho quá trình methan hóa; + Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình sinh khí biogas. Học viên: Ngô Mạnh Túc 2 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về quá trình phân hủy kỵ khí 1.1.1. Biogas là gì? Biogas hay còn gọi là khí sinh học, là hỗn hợp khí được sinh ra từ quá trình phân hủy những hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí nhờ hoạt động của các vi sinh vật. Trong đó, thành phần chủ yếu là khí methan (CH4) chiếm 55 – 70 % thể tích và khí CO2 (30 – 45 %). Ngoài ra, biogas còn chứa một số tạp chất như hydrogen sulphide H2S (< 3 %), amoniac NH3 (< 2 %) và một lượng nhỏ hơi nước, nitơ (N2), hydro (H2) và các hợp chất siloxan [25]. Biogas sau khi làm sạch có nhiều ứng dụng quan trọng và thiết thực như dùng để đun nấu, thắp sáng, sản xuất nhiệt và hơi quá nhiệt bằng chạy nồi hơi sinh nhiệt, sản xuất điện bằng chạy máy phát điện hoặc hệ đồng phát nhiệt điện. Biogas sau khi tinh chế có hàm lượng methan trên 97 % gọi là Biomethan, được sử dụng thay thế khí tự nhiên hoặc hòa vào mạng lưới khí tự nhiên, hoặc nén lỏng để sử dụng làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông, máy móc, động cơ. Được mệnh danh là “cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới , khí biogas hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụ ng rô ̣ng raĩ trên thế giới , đă ̣c biê ̣t là ở các nước đang phát triể n có khí hâ ̣u nhiê ̣t đới như Ấn Đô ̣ , Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Viê ̣t Nam… bởi điều kiện khí hậu của các nước này thích hợp cho quá trình lên men kị khí chấ t thải hữu cơ để sinh khí biogas. Năng lượng sản xuất từ biogas là loại năng lượng carbon cực thấp, lượng CO2 phát thải giảm 50 g CO2/kWh so với năng lượng sản xuất từ than [25]. Việc sản xuất biogas sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Phát triển công nghệ biogas cũng là con đường tất yếu để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ nguồn rác thải hữu cơ. 1.1.2. Ứng dụng của biogas Khi cả thế giới kêu gọi khẩu hiệu phát triển bền vững thì BioFuel (nhiên liệu sinh học) nói chung và Biogas nói riêng đang trở thành vấn đề nóng được quan tâm đặc biệt, và được nhắc tới thường xuyên như một giải pháp có hiệu quả. Đã có Học viên: Ngô Mạnh Túc 3 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ nhiều loại nguyên liệu sinh học ra đời như biomethan, biodiesel, bioethanol… để thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Khi cả thế giới đang suy nghĩ tìm cách giải quyết khâu nguyên liệu cho những sản phẩm nhiên liệu sinh học thì việc sản xuất biogas từ phụ phẩm, chất thải hữu cơ sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Trong một thế giới đang ngày càng đề cao sự phát triển bền vững, mối liên kết giữa năng lượng và môi trường đã trở nên vô cùng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo ít carbon đang được ưu tiên hàng đầu. Sản phẩm biogas có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau từ việc sử dụng trực tiếp đun nấu thay cho khí gas hóa lỏng truyền thống, hay dùng để thắp đèn khí sinh học, đến việc tinh chế, làm sạch để dùng làm nguyên liệu chạy máy phát điện, động cơ xe máy, ô tô ... Dưới đây là một số hình thức sử dụng biogas hiệu quả đang được áp dụng trên thế giới. + Đun nấu: đạt hiệu suất 50 – 60 %. Về nhiệt lượng hữu ích: 1m3 biogas (60 % CH4) có thể thay thế 0,76 Lít dầu; 5,2 kWh điện; 4,8 kg củi; 8,6 kg rơm rạ [2,12]. + Thắp sáng: Phải dùng đèn mạng độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60 W tiêu thụ 70 - 120 Lít/giờ [12]. + Chạy các động cơ đốt trong: Máy bơm, máy xay xát, máy phát điện, máy sản xuất hơi (boiler)… + Các ứng dụng khác: Sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh… Ngoài ra, biogas còn được sử dụng để diệt sâu bọ trong bảo quản ngũ cốc, hoặc dùng để bảo quản hoa quả cho hiệu quả kinh tế cao. + Lợi ích về nông nghiệp: nguyên liệu khi được nạp bể biogas sẽ phân hủy chuyển hóa thành biogas, phần bã không phân hủy vẫn còn lượng dinh dưỡng khá cao và nguồn sinh khối từ vi sinh vật sau quá trình lên men có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng, xử lý hạt giống trước khi gieo; nước thải từ bể biogas dùng để nuôi tảo, bèo làm thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản, trồng nấm, nuôi giun. + Lợi ích về môi trường: cải thiện vệ sinh, không có khói bụi, giảm bệnh phổi, giảm bệnh đau mắt, xử lý giảm bệnh giun sán, bệnh truyền nhiễm, hạn chế Học viên: Ngô Mạnh Túc 4 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ thuốc trừ sâu, xử lý chất thải hữu cơ, bảo vệ đất khỏi bạc màu, hạn chế phá rừng, giảm phát thải khí nhà kính. + Lợi ích khác: hiện đại hóa nông thôn, giải phóng sức lao động phụ nữ và trẻ em, tạo công ăn việc làm cho người dân. 1.2. Quá trình phân hủy kỵ khí 1.2.1. Nguyên lý hóa học – sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí Phân hủy kỵ khí được chứng minh là công nghệ hữu hiệu để xử lý chất thải hữu cơ. Trong những năm gần đây, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Công nghệ này đang được phát triển mạnh nhờ các hiểu biết về cơ sở hóa sinh của quá trình phân hủy kỵ khí ngày càng sâu rộng và có nhiều cải tiến về thiết kế các bể phản ứng. Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí: (CHO)nNS → CO2 + H2O + CH4 + H2S + H2 + NH4+ + tế bào mới Phân hủy kỵ khí xảy ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau. So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm sau [15]: - Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý làm chất nhận điện tử. Quá trình này hoàn toàn không sử dụng O2, do vậy giảm được chi phí vận hành đáng kể. - Lên men kỵ khí tạo ít sinh khối (từ 3 - 20 lần so với quá trình hiếu khí) vì năng lượng sinh ra do hô hấp kỵ khí rất thấp. Nếu quá trình hiếu khí chuyển hóa 50 % carbon hữu cơ thành sinh khối, thì trong quá trình kỵ khí, tỷ lệ này là 5 %. Tổng lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn carbon hữu cơ, trong điều kiện kỵ khí là 20 - 150 kg, nhỏ hơn nhiều khi so với 400 - 600 kg trong điều kiện hiếu khí. Phần lớn năng lượng giải phóng ra từ nguồn cơ chất ban đầu được chuyển vào sản phẩm cuối cùng của quá trình là CH4 [3,4]. - Lên men kỵ khí tạo ra khí methan là nguồn năng lượng sạch, có giá trị năng lượng đến 9000 kcal/m3, có thể đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử dụng để sản xuất điện [4]. - Giảm nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải. Học viên: Ngô Mạnh Túc 5 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ - Công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải công nghiệp có nồng độ hữu cơ cao. - Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao. - Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật kỵ khí tham gia quá trình phân hủy được duy trì khá lâu, ngay khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời gian dài. - Các hệ thống phân hủy kỵ khí còn có thể xử lý các hợp chất hữu cơ bền như carbuahydro mạch thẳng bị chlor hóa và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin. Quá trình phân hủy kỵ khí về mặt hóa học và vi sinh vật phức tạp hơn xử lý hiếu khí. Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của vi sinh vật thành khí methan là nhờ sự thủy phân các carbohydrat phức tạp, protein, chất béo thành những carbohydrat đơn giản, aminoacid, acid béo. Đường đơn và acid sau đó được sử dụng để thu năng lượng cho sự sinh trưởng bởi vi khuẩn lên men, sinh ra acid hữu cơ và hydro ở các sản phẩm trung gian. Acid hữu cơ sau đó được oxy hóa một phần bởi những vi khuẩn lên men khác, sản xuất thêm hydro và acid acetic. Hydro và acid acetic là cơ chất chính được sử dụng bởi vi khuẩn sinh methan, chuyển chúng thành methan. Hydro được sử dụng như phần tử cho electron, với CO2 - phần tử nhận electron, để hình thành khí methan, trong khi acetat được tách ra để tạo methan từ nhóm metyl, và tạo CO2 từ nhóm carbonyl trong phản ứng lên men. Chìa khóa để ứng dụng thực tế có hiệu quả của phân hủy kỵ khí dựa vào sự điều chỉnh và tối ưu hóa môi trường nội tại của một bể phản ứng sinh học đi kèm, nhằm đưa ra các điều kiện lý tưởng cho quá trình và duy trì chúng. 1.2.1.1. Về mặt hóa học Quá trình phân hủy kỵ khí thực tế rất phức tạp, liên quan đến hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, rất nhiều trong số đó có yêu cầu bổ sung chất xúc tác, enzym và chất điều phối. Quá trình phân hủy kỵ khí gồm 4 giai đoạn chính: - Giai đoạn 1 - Thủy phân: Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, cellulose, lipid… được vi sinh vật kỵ khí như Closdium bipiclobacterium, Bacilus gram âm không sinh bào tử, Staphy loccus…chuyển thành các chất có trọng lượng phân tử Học viên: Ngô Mạnh Túc 6 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ thấp hơn như aminoacid, đường đơn, glyxerin. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào cấu tạo và tính chất của chất nền, tập hợp vi khuẩn, nhiệt độ và pH [1, 4, 15]. Tham gia vào giai đoạn này chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc xen lẫn vi khuẩn kỵ khí tùy tiện. Vi khuẩn thuỷ phân thường có hình que, nhuộm Gram dương hoặc Gram âm. Bản chất nền ảnh hưởng lớn nhất đến chủng loại các vi khuẩn này. Vi sinh vật tham gia giai đoạn hoạt tính enzym thủy phân ngoại bào đóng vai trò quan trọng trong lên men kỵ khí sinh methan được xác định là: Clostridium, Bacteroides, Butyvibrio, Peptococcus, Streptococcus. Nhìn chung, các vi khuẩn giai đoạn thủy phân có thể sống trong môi trường có pH từ 5 - 8, nhưng thích hợp nhất là pH 5,5 - 6,5. Giai đoạn thủy phân thường có thể kéo dài và trở thành bước quyết định tốc độ xử lý. - Giai đoạn 2 - Sinh acid: Các vi khuẩn sinh acid (ví dụ như Clostridium) chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như acid acetic, acid lactic, acid propionic, acid formic, acid butyric), rượu và keton (như etanol, methanol, glycerol, acetone), CO2 và H2 [16]. Do sự tạo thành các acid hữu cơ, pH giảm xuống rõ rệt. Vi khuẩn lên men sinh acid trong phân hủy kỵ khí thuộc một số chi thường gặp như Pseudomonas, Clostridium, Micrococcus, Lactobacillus. Vi khuẩn nhóm này có vai trò chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như các acid acetic, propionic, fomic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol, methanol, gryxerol, aceton), acetat, CO2 và H2. Acetat là sản phẩm chính được tạo ra trong quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất carbonhydrat. Sản phẩm phân hủy kỵ khí thay đổi phụ thuộc vào các loại vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa trong bể phản ứng (Bảng 1). Học viên: Ngô Mạnh Túc 7 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bảng 1: Các vi khuẩn lên men sinh acid [3,4] Vi khuẩn Sản phẩm acid Bacillus cereus Acid acetic, acid lactic Bacillus megaterium Acid acetic, acid lactic Bacterodies succigenes Acid acetic, acid sucinic Clostridium carnefectium Acid formic, acid acetic Clostridium cellobinharus Acid lactic, etanol,CO2 Clostridium dissolves Acid formic, acid axetic Clostridium thermocellaseum Acid lactic, acid sucinic, etanol Pseudomonas Acid formic, acid acetic, acid lactic Ruminococcussp Acid sucinic - Giai đoạn 3 - Sinh acetat: Nhóm vi khuẩn sinh acetat là acetogen sẽ chuyển hóa các acid béo (như acid propionic, acid butyric) và rượu thành acetat, H2, CO2. Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh methan hoạt động. Để có thể chuyển hóa được các acid béo, vi khuẩn sinh acetat cần có điều kiện áp suất cục bộ của H2 trong môi trường ở mức rất thấp, do vậy, quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các vi sinh vật sinh methan là nhằm duy trì điều kiện này [1,3]. Ethanol, acid propionic, acid butyric và glycerol được vi khuẩn sinh acetate chuyển hóa thành acid acetic theo các phản ứng sau: CH3(CH2)2COOH (acid butyric) + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2 CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + 2H2 C3H8O3 (glycerol) + H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 2H2 Vi khuẩn sinh acetate (acetogen) sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn sinh methan (methanogen) khoảng 25 lần [3,20], tuy nhiên, methanogen lại sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy, có thể duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng. pH tối ưu cho các vi Học viên: Ngô Mạnh Túc 8 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ khuẩn acetat hoá nằm trong khoảng 6 - 7. Các giống vi khuẩn acetat hóa quan trọng gồm: Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas. - Giai đoạn 4 – sinh methan: Vi sinh vật sinh methan (methanogen) không thuộc giới vi sinh khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ khuẩn (Archae), do đó, có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt. Chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này. Vi sinh vật này có nhiều hình dạng khác nhau (que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám…) có loài chuyển động được, có loài không. Đặc điểm chung của chúng là chịu được nhiệt độ khá cao (60 - 80o C), sinh trưởng trong môi trường có thế khử rất thấp (Eh < -300V), rất mẫn cảm với sự biến động của các yếu tố môi trường như oxy, nhiệt độ, pH… nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin. Coenzyne của vi sinh vật sinh methan rất đặc biệt, bao gồm coenzyme M, coenzym F430 và F420 khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại, do đó, có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này. Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 55o C đến 3 ngày ở 35o C và tới 50 ngày ở 10o C. Methanogen chuyển hóa H2, CO2, acetate thành CH4 [15] bằng các con đường sau: + Con đường 1 - Methanogen sử dụng hydro: Vi sinh vật Hydrogentrophic Methanogen chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Có dưới 30 % lượng methan được tạo thành từ con đường này. Nhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ xử lý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảm bảo các acid béo và rượu được chuyển thành acetate. Các chi thường gặp thuộc nhóm này gồm có Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium. + Con đường 2 – Methanogen sử dụng acetate: Vi sinh vật Acetotropic Methanogen chuyển hóa acetate thành CH4 và CO2: CH3COOH → CO2 + CH4 Có khoảng 70 % lượng methan được tạo thành từ con đường này. Lượng CO2 giải phóng được khử bằng con đường 1. Trong bể kỵ khí, hai chi thường gặp thuộc nhóm này là Methanosarcina và Methanothrix [3]. Học viên: Ngô Mạnh Túc 9 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ + Con đường 3: Nhờ vi khuẩn Methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl: CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2+ 4NH3 Một số loài vi sinh vật trong quá trình phân hủy kỵ khí được giới thiệu trong hình 1. a) Clostridium b) Bacillus Cereus c) Sytrophobacter d) Methanothrix Hình 1: a) Vi khuẩn có hoạt tính thuỷ phân, b) Vi khuẩn lên men sinh acid, c) Vi sinh vật sinh acetat, d) Vi sinh vật sinh methan. Trong các nghiên cứu, người ta thấy rằng: trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa), lượng COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methan hóa, ngoài sản phẩm chính là methan, còn có các sản phẩm NH3, H2S, indol, scatol,… gây mùi thối [2,12]. Học viên: Ngô Mạnh Túc 10 Cao học Hóa K25 - KTHH Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Như vậy, các sản phẩm gây mùi thối chỉ tạo ra trong quá trình lên men và bán phân hủy chất hữu cơ, nếu bị đẩy ra ngoài, kéo mùi thối ra cùng, là nguyên nhân gây thối và ô nhiễm môi trường thứ cấp. 1.2.1.2. Về mặt sinh học: Phân hủy kỵ khí là hệ cân bằng sinh thái, trong đó, các nhóm vi sinh vật khác nhau cùng tham gia chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm cuối cùng. Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ gồm nhóm thủy phân, nhóm lên men acid, nhóm sinh acetat, nhóm sinh methan. Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, tăng số lượng tế bào, tăng số lượng quần thể vi sinh vật. Nguyên liệu ban đầu là phụ phẩm dứa có nhiều chất hữu cơ để vi sinh vật đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng và sinh sản. Thời gian càng dài, nồng độ chất dinh dưỡng càng suy giảm, các sản phẩm thải từ quá trình trao đổi chất ngày càng tăng. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật thể hiện qua hình 2: Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật [11]. Đường cong gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn tiềm phát: Khi thêm vi sinh vật vào bể phân hủy kỵ khí, số lượng thường không tăng lên. Nguyên nhân là do thành phần môi trường mới không giống với môi trường cũ nên vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với việc sử dụng chất dinh dưỡng mới. Nếu tính chất của môi trường mới khác nhiều so với môi trường cũ thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài. Giai đoạn lũy tiến: Trong giai đoạn này, vi sinh vật sinh trưởng và phân cắt với tốc độ tối đa, nhịp độ sinh trưởng của chúng là không thay đổi. Sau một thời gian nhất đinh, khối lượng, cũng như tổng số cá thể của vi sinh vật tăng gấp đôi. Học viên: Ngô Mạnh Túc 11 Cao học Hóa K25 - KTHH