Các nguyên liệu để sản xuất khí sinh học

1.  Các loại nguyên liệu và đặc tính của chúng

a. Phân loại nguyên liệu

Nói chung các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu nạp cho các thiết bị sản xuất KSH. Các nguyên liệu này có thể được chia thành hai loại: nguyên liệu có nguồn gốc động vật và nguyên liệu có nguồn gốc thực vật.

- Nguyên liệu có nguồn gốc động vật

Thuộc loại này là các loại phân như 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... Các loại phân do đã được xử lý trong bộ máy tiêu hoá của động vật nên dễ phân huỷ và nhanh chóng tạo KSH. Tuy vậy, thời gian phân huỷ của các loại phân không dài (khoảng từ 2-3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được từ 1 kg phân cũng không lớn. Phân gia súc như trâu, bò, lợn phân huỷ nhanh hơn phân gia cầm và phân bắc, nhưng sản lượng khí của phân gia cầm và phân bắc lại cao hơn. Sản lượng phân trên một đầu gia súc phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và chế độ nuôi dưỡng. Nhìn chung hàm lượng chất khô của các loại  phân tươi vào khoảng 20%, còn lại là nước. Các loại phân thường giàu ni tơ, hiệu suất sinh khí của các loại phân tính cho chất khô nằm trong khoảng từ  0,2-0,3 m ³/kg/ngày và hàm lượng metan của khí sinh học sản xuất từ  phân chiếm khoảng 50-70%.

- Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật

Các nguyên liệu thực vật là những lá cây và cây thân 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...). Gỗ và thân cây già rất khó phân huỷ nên không dùng làm nguyên liệu được. Nguyên liệu thực vật thường có lớp vỏ cứng rất khó bị  phân huỷ.  Để quá trình phân huỷ ky khí diễn ra được thuận lợi, người ta thường phải chặt nhỏ và xử lý sơ bộ (đập dập, ủ hiếu khí) các loại nguyên liệu này trước khi đưa vào thiết bị để phân huỷ, mục đích của công việc này là phá vỡ lớp vỏ  cứng của nguyên liệu và tăng bề mặt cho vi khuẩn tấn công. Thời gian phân huỷ của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với các loại phân (có thể kéo dài hàng năm). Do vậy nguyên liệu thực vật nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéo dài từ 3-6 tháng. Các loại nước thải như: nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm... có chứa nồng độ chất hữu cơ cao. Các chất hữu cơ là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nếu để chúng phân huỷ trong tự nhiên. Vì thế cần phải được xử lý trước khi thải vào hệ thông thoát nước chung. Các hợp chất hữu cơ có trong các loại nước thải này là nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn phát triển. Tuy nhiên trong một số trường hợp cần phải xử lý sơ bộ để loại các độc tố ảnh hưởng đến sự phát triển và tăng trưởng của VSV kỵ khí trong môi trường xử lý.

b. Sản lượng KSH thực tế của các loại nguyên liệu

Trong thực tế sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị khí sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân huỷ trong một thời gian nhất định và chưa phân huỷ hoàn toàn. Bảng 1 dưới đây cho chúng ta số hệ tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp.  Sản lượng khí hàng ngày được tính theo lượng nguyên nạp hàng ngày (lít/kg/ngày). Phân động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàng ngày. Thực vật được nạp từng mẻ.   

Bảng 1. Đặc tính và sản lượng KSH của một số nguyên liệu thường gặp

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản sinh khí sinh học

Quá trình phân huỷ tạo KSH chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Chúng ta sẽ xét tới những yếu tố quan trọng nhất cần thiết trong xây dựng và vận hành thiết bị  để đảm bảo cho thiết bị vận hành tốt nhất và sản sinh ra sản lượng KSH như người ta mong muốn.

2.1. Môi trường ky khí

Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh metan 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. 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.

2.2. Nhiệt độ

Hoạt động của VK sinh metan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ. Trong điều kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 35 độ C.  Sản lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm. Dưới 10 độ C quá trình sinh metan hầu nh­ư ngừng hẳn. Đồ thị ở hình 1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí trong thời gian phân huỷ 120 ngày với các loại phân.

Hình 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí

2.3. 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 metan vẫn có thể hoạt động được trong giới hạn độ pH từ  6,5-8,5.

2.4. Đặc tính của nguyên liệu

a. Hàm lượng chất khô

Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm. Quá trình phân huỷ sinh metan 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 1-3 lít nước cho 1 kg phân tươi.

Hình 2. Quan hệ giữa hàm lượng chất khô và sản lượng khí

b. Tỷ lệ cacbon và nitơ của nguyên liệu

Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học trong đó chủ yếu là các bon (C), hydrô (H), ni tơ (N), phôtpho (P) và l­ưu huỳnh (S). Tỷ  lệ giữa 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 các bon nhiều hơn ni tơ 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 và lợn 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.

2.5. Thời gian lưu

Trong thực tế, quá trình phân huỷ của nguyên liệu trong điều kiện nhiệt độ khí quyển xảy ra với tốc độ chậm hơn bảng 3 nhiều vì điều kiện nhiệt độ không thuận lợi: Thấp hơn nhiệt độ tối ưu (37 ⁰C) và thăng giáng ngày đêm. Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng. Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian  này kéo dài tới hàng năm. Tuy nhiên tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm. Quá trình phân huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. 

Hình 3. Quan hệ giữa sản lượng khí với thời gian phân huỷ và nhiệt độ

Bảng 2. Thời gian lưu đối với phân động vật theo Tiêu chuẩn ngành

Thời gian lưu đối với nguyên liệu thực vật được qui định là 100 ngày. 

2.6. Các độc tố

Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số các độc tố. Khi hàm lượng của các loại này có trong dịch phân huỷ vượt quá một giới hạn nhất định sẽ giết chết các vi khuẩn, vì thế không cho phép các chất này có trong dịch phân huỷ. 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 3 dưới đây.

Bảng 3.  Điêu kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học

Nguồn: Bản tin Nông nghiệp, số 01/2007