Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ năm, 13/12/2007 22:25 (GMT+7)

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

Loại nguyên liệu

Lượng phân + nước tiểu thải hàng ngày (kg/đầu vật nuôi)

Hàm lượng chất khô (%)

Tỷ lệ cacbon / nitơ (C/N)

Sản lượng khí hàng ngày (lít/kg nguyên liệu tươi)

Phân bò

18-25

18-20

24-25

20-32

Phân trâu

30-40

16-18

24-25

20-32

Phân lợn

3,5-7

24-33

12-13

40-60

Phân gia cầm

0,07-0,10

25-50

5-15

50-60

Phân  người

0,18-0,34

20-34

2,9-10

60-70

Bèo tây tươi

4-6

12-25

0,3-0,5

Rơm rạ khô

80-85

48-117

1,4-2,0

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
Hình 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí
Các vi khuẩn sinh metan không chịu được sự thăng giáng 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 vớinhững 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 lênmen.

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
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
Hình 3. Quan hệ giữa sản lượng khí với thời gian phân huỷ và nhiệt độ
Ta gọi thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân huỷ. Đây là khoảng thời gian dịch phân huỷ sản sinh ra khí sinh học. Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổsung hàng ngày. Khi một lượng nguyên liệu mới nạp vào, nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ về phía lối ra. Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từlối vào tới lối ra. Thời gian này được tính bằng tỷ số giữa thể tích phân huỷ và thể tích nguyên liệu nạp bổ sung hàng ngày. Trong điều kiện nhiệt độ khí quyển, nếu chúng ta lưu giữ nguyên liệu trongbể phân huỷ cho tới khi chúng phân huỷ hoàn toàn thì chúng ta phải xây bể phân huỷ rất lớn. Thí dụ để phân lợn phân huỷ hết phải mất trên 120 ngày. Nếu mỗi ngày ta nạp 10 kg phân (thể tích gần bằng10 lít) pha với 10 lít nước thì ta phải có bề chứa dung tích: (10 lít phân +10 lít nước) x 120 ngày = 2400 lít = 2,4m 3Mặc dù thời gian lưu càng lớn thì khí thu được từ một lượngnguyên liệu nhất định càng nhiều. Song như vậy thiết bị có thể tích phân huỷ rất lớn và vốn đầu tư sẽ nhiều. Vì thế người ta phải lựa chọn thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinhkhí là mạnh nhất và sản lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu. Thời gian này phụ thuộc vào loại nguyên liệu và nhiệt độ môi trường. Trong điều kiện Việt Nam, Tiêuchuẩn ngành 10 TCN 492 - 2002 đã qui định thời gian lưu đối với  phân động vật như sau :

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

Vùng

Nhiệt độ trung bình về mùa đông ( 0C)

Thời gian lưu (ngày)

I

10 - 15

60

II

15 - 20

50

III

> 20

40

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

TT

Yếu tố ảnh hưởng

Giá trị tối ưu

1.     

Nhiệt độ ( 0C)

30 - 40

2.     

pH

6,5 - 7,5

3.     

Thời gian l­ưu (ngày) - Phân động vật

30 - 60

4.     

Thời gian l­ưu (ngày) - Thực vật

100

5.

Hàm lượng chất khô (%)  - Phân động vật

7 - 9

6.     

Hàm lượng chất khô (%)  - Thực vật 

4 - 8

7.     

Tỷ lệ C/N

30/1

Nguồn: Bản tin Nông nghiệp, số 01/2007

Xem Thêm

Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.
Ứng dụng công nghệ số toàn diện là nhiệm vụ trọng tâm của VUSTA giai đoạn tới
Ứng dụng công nghệ số toàn diện, xây dựng hệ sinh thái số là bước đi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và phát huy sức mạnh đội ngũ trí thức của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA). Qua đó cho thấy, VUSTA không chỉ bắt kịp xu thế công nghệ mà còn chủ động kiến tạo những giá trị mới, khẳng định vai trò tiên phong của đội ngũ trí thức trong thời đại số.

Tin mới

Thủ tướng Lê Minh Hưng lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Philippines
Nhận lời mời của Tổng thống nước Cộng hòa Philippines Ferdinand Romualdez Marcos Jr, Chủ tịch ASEAN năm 2026, ngày 7/5, Thủ tướng Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Lê Minh Hưng dẫn đầu Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Cebu, Philippines từ ngày 7 đến 8/5/2026.
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam: Điểm tựa khoa học công nghệ gắn với chuyển đổi số quốc gia
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam với gần 40 năm phát triển đang thể hiện rõ vai trò tổ tổ chức xã hội - nghề nghiệp uy tín trong lĩnh vực vô tuyến, điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin đồng thời đóng góp thực chất vào tiến trình chuyển đổi số quốc gia theo tinh thần Nghị quyết 57-NQ/TW của Bộ Chính trị.
Đầu tư khoa học công nghệ giải quyết điểm nghẽn của ngành Thủy sản Việt Nam
Phát biểu tại Hội nghị khoa học công nghệ thủy sản và kiểm ngư toàn quốc năm 2026, Thứ trưởng Bộ Nông nghiệp và Môi trường Phùng Đức Tiến đã nhấn mạnh sự cần thiết của đổi mới sáng tạo khoa học công nghệ trong giải quyết điểm nghẽn về logistics, môi trường, nâng cao sức cạnh tranh của ngành Thủy sản trong nước.
Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng nhận danh hiệu Giáo sư danh dự Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga
Sáng 30/4/2026, tại Trường Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga (MPEI), TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch VUSTA đã vinh dự đón nhận danh hiệu Giáo sư danh dự của MPEI. Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng là công dân đầu tiên của Việt Nam được trao tặng danh hiệu Giáo sư tại MPEI, đứng trong bảng danh dự cùng với các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới.
51 năm thống nhất đất nước: Khơi thông nguồn lực tri thức trong kỷ nguyên mới
Thông tấn xã Việt Nam giới thiệu bài phỏng vấn với Phó Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) về vai trò của lực lượng trí thức và những giải pháp đột phá để hiện thực hóa khát vọng hùng cường vào năm 2030 và 2045.