Tài liệu Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐỖ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐỖ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS. HOÀNG VĂN HÀ HDP: PGS.TS. TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Hoàng Văn Hà đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong quá trình nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Trần Hồng Côn, cô giáo TS. Phương Thảo, cùng các thầy các cô trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đỗ Văn Vương BẢNG VIẾT TẮT Kí hiệu Giải thích AD W8 Anaerobic Digester W8 COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học) BOD Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học) VS Tổng chất rắn dễ bay hơi VSV Vi sinh vật VK Vi khuẩn CTHC Chất thải hữu cơ CTR Chất thải rắn DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Tên bảng VSV sinh axit hữu cơ VSV sinh metan Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA, 1979) Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu khí Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí glucozơ. Trang 8 9 11 15 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí tinh bột. Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí protein Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 30 18 20 27 31 32 33 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm 34 khí 36 gam glucozơ. Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy 36 yếm khí 30 gam tinh bột. Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). Thể tích metan và cacbonic sinh ra từ 1 kg vật liệu trong điều kiện yếm khí. 36 37 39 40 41 43 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình Tên hình vẽ vẽ Trang Xử lý nước thải tinh bột sắn theo mô hình yếm khí tại 3 1.1 Tây Ninh 1.2 Xây dựng hầm biogas ở nông thôn 4 Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân 6 1.3 hủy yếm khí 1.4 Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí CH4 và ảnh 12 hưởng của nhiệt độ Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và 13 1.5 giá trị pH 1.6 Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí 19 2.1 Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nước thải yếm khí AD W8 23 2.2 Cách bố trí lại thiết bị AD W8 24 2.3 Máy AD-W8 đang hoạt động theo cách bố trí mới 25 3.1 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của 33 glucozơ 3.2 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của glucozơ 34 3.3 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của tinh bột 37 3.4 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của tinh bột 38 3.5 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của protein 40 3.6 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của protein 41 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………… 1 Chương 1 - TỔNG QUAN………………………………………………… 2 1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)……………………….. 2 1.2. VSV và VSV yếm khí. ……………………………………………….. 5 1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học………………………. 5 1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ………………………………………………………………………. 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM…………………………………………… 22 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu……………………………………… 22 2.2. Thiết bị và hoá chất nghiên cứu………………………………………. 22 2.3. Quy trình thực nghiệm………………………………………………… 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN………………………………. 32 KẾT LUẬN..………………………………………………………………. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 45 LỜI MỞ ĐẦU Xã hội phát triển, nhu cầu của con người được thỏa mãn ngày càng nhiều. Tuy nhiên đi đôi với nó là nhiều vấn đề phát sinh. Hai vấn đề nghiêm trọng chính là ô nhiễm môi trường và cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch. Để phát triển sản xuất con người đã đưa vào môi trường nhiều chất thải độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước, không khí trong đó các chất thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ quan trọng. Bên cạnh đó là việc khai thác quá mức các nguồn tài năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá…làm cho các nguồn tài nguyên này đang có nguy cơ cạn kiệt. Một trong những hướng góp phần giải quyết các vấn đề trên đó là tận dụng các chất thải hữu cơ để tạo ra nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch. Biogaschứa một lượng lớn khí metan, có khả năng cung cấp năng lượng rất tốt, khí này được sinh ra trong quá trình các VSV yếm khí phân hủy các chất hữu cơ-là một hướng đi đang được chú ý. Chúng ta có thể tận dụng các chất hữu cơ trong rác thải để tạo ra năng lượng phục vụ sinh hoạt, sản xuất. Vấn đề đặt ra ở đây là với một lượng rác thải chứa chất hữu cơ ta có thể thu được bao nhiêu metan, có hiệu quả kinh tế không khi ta đem rác thải đó đi lên men để sinh metan? Đề tài của tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí” phần nào trả lời câu hỏi đó. 1 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam Thị trường tiềm năng cho sản xuất biogas tại Việt Nam là rất lớn, nhưng cho đến nay chưa được khai thác triệt để. Chỉ có 0,3% trong số17.000 các trang trại lớn đã sử dụng khí sinh học. Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải. Tương tự như vậy, một lượng lớn rác thải đô thị và rác thải chế biến nông sản, chẳng hạn như đường và sắn, cũng chưa được sử dụng đúng mức và cả hai loại chất thải này đều gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường và lãng phí tài nguyên. Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí đã trở thành một hệ thống được áp dụng rộng rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh đã được lắp đặt tại vùng nhiệt đới, á nhiệt đới và ở vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v.v…). Ở Việt Nam nhiều nơi đã sử dụng nhiều mô hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với các quy mô lớn nhỏ khác nhau. Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, công ty Cổ phần khoai mì nước trong phối hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đã đưa vào sử dụng nhà máy xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia Nước Trong tại xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh. 2 Hình 1.1. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh Nhà máy sử dụng công nghệ phân hủy yếm khí hiện đại, đang được áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Nhà máy xây dựng với vốn đầu tư 1 triệu USD, chuyên sản xuất khí Biogas với công suất 2 triệu m3/năm và khắc phục trên 90% vấn đề ô nhiễm. Mặt khác nó sẽ tạo ra một giá trị kinh tế lớn là cung cấp khí biogas làm nhiên liệu đốt cho các lò đốt để sấy bột. - Nhà máy xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình: Nước thải từ quá trình sản xuất bia ong được xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống giống với mô hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại Lâm. Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m3/ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt. 3 Quy mô hộ gia đình Hình 1.2. Xây dựng hầm biogas ở nông thôn Thường tại các hộ gia đình chăn nuôi lợn, trâu bò lượng chất thải từ quá trình chăn nuôi thường nhiều và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (biogas). Trong những năm qua việc xây dựng hầm khí biogas đã phát huy được hiệu quả và đang được coi là biện pháp tiết kiệm của người dân. Được sự quan tâm và đầu tư của nhà nước cũng như các dự án đầu tư của nước ngoài rất nhiều vùng nông thôn đã xây dựng mô hình khí sinh học biogas. Tiềm năng sử dụng biogas trong tương lại có thể là dùng để phát điện, bã thải sinh học cho các loại phân bón hữu cơ và nhiên liệu sinh học. 4 1.2. VSV và VSV yếm khí. VSV là một thế giới sinh vật nhỏ bé, đơn bào rất đông đúc trong tự nhiên. Tế bào của chúng chỉ nhìn được qua kính hiển vi phóng đại từ 400 đến 1000 lần. VSV bao gồm có VK, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut (siêu VK). Trong nước thải, chủ yếu là các loại VSV dị dưỡng hoại sinh, chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ, biến đổi các chất này thành các chất đơn giản như CO2, H2O, CH4, H2S… VSV yếm khí là những VSV sống trong điều kiện không có oxy, chúng rất đa dạng và phong phú về chủng loại. 1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí. 1.3.1. Nguyên liệu Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật. - Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc..., các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ, hải sản... - Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân cây thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…), rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi...) và các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh...). Các loại nước thải như: nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm... 1.3.2. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: 5 Chất hữu cơ Lên men yếm khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau: + Giai đoạn 1: Thủy phân. + Giai đoạn 2: Lên men axit. + Giai đoạn 3: Metan hóa. Chất hữu cơ Protein Aminoaxit Vi khuẩn Amôn Tổng axit Cacbonhydrate Đường đơn bay hơi CO2 CH4 Axetat H2 Chất béo CO2 Tổng axit Thủy phân Lên men axit Sinh metan Hình 1.3. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí 1.3.2.1. Giai đoạn thủy phân. Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohidrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Một vài loại ở dạng không hòa tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào (sản sinh bởi các VK). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo. 6 Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz, pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất không hòa tan) thành các đường đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ như xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các VK ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các VK ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi trường như: pH và nhiệt độ… Các phản ứng ở giai đoạn thủy phân: Tinh bột Xenlulozơ amylaza   Glucozơ zenlulaza    Mantozơ + Glucozơ lipaza  Tổng axit + Rượu đa chức Lipit Protein proteaza proteaza   Axit amin    Peptit  1.3.2.2. Giai đoạn lên men axít. Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít axetic, H2 và CO2 bởi VK lên men axit. Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohiđrat. Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại VK cũng như điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử oxi. VK tạo axit axetic chuyển các axít no như axít propionic và butyric và rượu thành axit axetic, hiđrovà CO2, những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm VK tạo metan. Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, anđehit, axeton, các chất khí NH3, H2S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành 7 CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Ví dụ như đối với glucozơ quá trình lên men axit xảy ra theo phương trình sau: 2C6H12O6   2CH3CHOHCOOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + Q. Các VSV chính tham gia vào quá trình lên men axit được thống kê trong bảng sau: Bảng 1.1. VSV sinh axit hữu cơ. Tên VK pH toC Sản phẩm Bacillus cereus 5.2 25-35 axetic, lactic Bacillus knolfekampi 5.2-8.0 25-35 axetic, lactic Bacillus megaterium 5.2-7.5 28-35 axetic, lactic Bacteroides succinigenes 5.2-7.5 25-35 axetic, sucxinic Clostridium carnefectium 5.0-8.5 25-37 fomic, axetic Clostridium cellobinharus 5.0-8.5 36-38 lactic, etanol, CO2 Clostridium dissolvens 5.0-8.5 35-51 fomic, axetic Clostridium thermocellulaseum 5.0-8.5 55-65 lactic, sucxinic, etanol Pseudomonas 3-42 fomic, axetic, lactic, sucxinic, - etanol Ruminococcus sp - 33-48 8 fomic, axetic, sucxinic 1.3.2.3. Giai đoạn sinh khí metan. Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH4 và các sản phẩm khác bởi nhóm VK metan. VK metan là những VK yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các VK ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các VK metan sử dụng axít axetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất metan, trong đó axít axetic là nguyên liệu chính với 70% metan được sinh ra từ nó. Phần metan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ axít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí, pH của giai đoạn này lớn hơn 7. Các VK tham gia quá trình sinh khí metan gồm những loại chính được thống kê trong bảng sau. Bảng 1.2 VSV sinh metan Tên VK Methanobacterium omelianskii Methanopropionicum Methanoformicum Methanosochngenii Methanosuboxydans Methanoruminanticum Methanococcus vanirielli Methanococcus mazei Methanosarcina methanica Methanosarcina barkerli toC 37-40 pH 6.5-8.0 1.4-9.0 30-37 35-37 30 7.0 Axit bị chuyển hóa CO2, H2, ancol I và II axit propionic CO2, H2, axit fomic axit axetic axit butyric,valeric, caprionic H2, axit fomic H2, axit fomic axit axetic, butyric axit axetic, butyric CO2, H2, axit axetic, metanol - Các phản ứng sinh metan gồm có CH3COOH → CH4 + CO2 Phản ứng (1) do các VSV: (1) Methanosochngenii, Methanococcus Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện. 4CH3CH2COOH + 2H2O → 7CH4 + 5CO2 (2) 2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 5CH4 + 3 CO2 (3) 9 mazei, Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica thực hiện. 2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 2CH4 + 3CH3COOH (4) Phản ứng (4) do VSV: Methanosuboxydans thực hiện 2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2 (5) 2CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH (6) Phản ứng (5) và (6) do VSV: Methanobacterium omelianskii thực hiện CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (7) Phản ứng (7) do Methanobacterium omelianskii, Methanococcus vanirielli, Methanoruminanticum, Methanoformicum. 1.3.3. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của VK trong môi trường yếm khí. Thành phần chủ yếu của Biogas: Khí metan (CH4) 55 – 65% Khí Cacbonic (CO2) 35 – 45% Khí Nitơ (N2) 0 – 3% Khí Hydro (H2) 0 – 1% Khí Hiđrosulphua (H2S) 0 – 1% Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH4 chiếm một số lượng lớn và là khí được sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt. Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình sinh học và nguyên liệu mà ta sử dụng. 10 Khí CH4 là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí. CH4 ở 200C, 1atm thì 1m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg. Khi đốt hoàn toàn 1m3 khí CH4 cho ra khoảng 9000 kcal. Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94kg/m3, trọng lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp. Khí H2S chiếm một lượng ít nhưng có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng của hệ thống để sửa chữa. 1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng 1.3.4.1. Môi trường Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều VK, trong đó các VK sinh metan là những VK quan trọng nhất, chúng là những VK 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 yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men. 1.3.4.2. Nhiệt độ Nhiệt độ là một trong những thông số vận hành quan trọng của quá trình xử lý yếm khí, đặc biệt đối với nước thải có mức độ ô nhiễm không cao. Trong tự nhiên metan được sản sinh ra bởi các VK trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí. Thông thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến quá trình sinh khí biogas. Bảng 1.3.Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV Nhóm VSV Nhiệt độ, oC Khoảng Ưa lạnh (Psychrophilic) -10-30 Ưa ấm (Mesophilic) 20-50 Ưa nhiệt (Thermophilic) 45-75 Tối ưu 15 35 55 Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả 11 xử lý. Ở nhiệt độ thấp, các chất hữu cơ dạng không tan dễ bị hấp phụ sinh học vào sinh khối, chúng không tham gia vào quá trình thủy phân nhưng được thải theo bùn nên làm tăng hiệu quả xử lý chung. Hình 1.4 dưới đây cho biết được sự phát triển của VSV sinh khí metan (ưa lạnh, ưa ấm và ưa nhiệt) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau ví dụ với loại ưa ấm (mesophilic) chúng phát triển mạnh nhất trong khoảng 35- 42 ºC. Hình 1.4. Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí metan và ảnh hưởng của nhiệt độ Do tác động mạnh của yếu tố nhiệt độ, quá trình xử lý vi sinh yếm khí có hiệu quả ở các vùng có khí hậu nóng, ít thích hợp với vùng lạnh. Nói chung, trong các hầm ủ yếm khí khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả 2 loại VK, nhiệt độ trên 60oC thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC. Ở các nước ôn đới, nhiệt độ môi trường thấp do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí được sản xuất giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí có thể dùng khí sinh học để đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt. 12 1.3.4.3. Độ pH và độ kiềm Vi sinh yếm khí thuộc loại nhạy cảm với pH, trong đó VK metan hóa là loại nhạy cảm nhất với khoảng pH tối ưu cho nó là 6,8 – 7,4. Thực tế khi vận hành ta duy trì pH trong vùng 6,4 – 7,8. pH cũng ảnh hưởng đến hoạt tính của VK axit hóa nhưng với mức độ thấp hơn: trong vùng pH thấp sản phẩm axit tạo thành chủ yếu có phân tử lượng cao như axit butyric và propionic, ít axit axetic, dẫn đến tăng khí hiđrotrong hệ. Nếu VK metan hóa không tiêu thụ kịp khí H2 sẽ dẫn đến tích lũy khí đó trong hệ và làm giảm quá trình tạo thành axit axetic, tức là làm thay đổi tỷ lệ thành phần hóa học của hỗn hợp axit. Hình 1.5. Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và giá trị pH Do sự nhạy cảm của VK metan hóa và sự dich chuyển cân bằng của quá trình oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động không ổn định trong vùng pH thấp. Ví dụ ở nồng độ axit cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lượng hữu cơ cao. Nếu tốc độ hình thành axit cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H2) thì lượng axit tích lũy sẽ làm 13