Cơ sở khoa học của biogas

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA BIOGAS Xây dựng hầm Biogas Biogas là khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí (còn gọi là kỵ khí). 1. Bản chất của phương pháp kỵ khí: Là các chất thải được phân hủy nhờ các vi sinh vật (VSV) trong điều kiện hoàn toàn không có oxy. Quá trình này được phân chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ cao phân tử được VSV chuyển thành các các chất có trọng lượng thấp hơn axit hữu cơ, đường, glyxerin,..(gọi chung là hydrat cacbon) Giai đoạn 2: là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn metan để chuyển hầu như toàn bộ các chất hydrat cacbon thành CH4và CO2. Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt (lên men axit). Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả CH4 (bắt đầu lên men metan). Các VSV kỵ khí phát triển mạnh còn các VSV hiếu khí bị tiêu diệt. Các vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4(giai đoạn lên men metan cò gọi là lên men kiềm). 2. Các vi sinh vật trong bể Biogas Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân sử dụng và điều kịên nhiệt độ. Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan. Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore). Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine. Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan. Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài (Genus). Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định. Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan. Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon. Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng,..Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%. (đối với Myobacterium ; thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày) 3. Cơ chế của sự tạo thành khí metan Cơ chế 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase: CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2 Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O CO + 3H2 → CH4 + H2O 4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O 4CH3OH → 3CH4 + 2H2O + CO2 CH3COOH → CH4 + H2O Như vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym cellulosaselà phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan có khả năng đốt cháy sinh năng lượng.