Khí biogas còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí. Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm :

CH4: 60 - 70%

CO2: 30 - 40%

Phần còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2,CO,CO2…CH4 có số lượng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt. Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học. Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí.

1. Đặc tính khí sinh học biogas

Khí biogas có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 Kg/ m3 trọng lượng riêng này thay đổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm 1 lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho người và làm hư dụng cụ đun nấu. Mùi hôi của chất này giúp xác định nơi hư hỏng của hệ thống công nghệ hầm bêtông để sữa chữa.

Khí biogas có tính dễ cháy nếu được hòa lẫn nó với tỉ lệ từ 6 đến 25% trong không khí. Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1 m3 cần 8 m3 không khí. Trong thực tế, khí biogas cháy tốt trong không khí khi được hòa lẫn ở tỉ lệ là 1/9 – 1/10 .

2. Đặc tính của khí CH4

Khí CH4 là 1 chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí CH4 ở 200C, 1atm, 1 m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg. Khí đốt hoàn toàn 1 m3 khí CH4 cho ra khoảng 5500 – 6000 kcal.

2.1. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas

Các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành các chất hòa tan và các chất khí. Quá trình hàng ngàn phản ứng trong đó phần lớn carbon, hydro, oxy bị chuyển hóa chủ yếu thành methane và khí carbonic. Một phần nhỏ các nguyên tố canxi, phosphor, nitơ cũng bị thất thoát khi qua sự phân hủy trong hầm biogas.

Sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi, rượu, methylamine… cùng các chất độc hại như: tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như indol, scatol.

Các chất cao phân tử: cellulose, lignin sẽ bị vi khuẩn yếm khí có enzyme cellulosase phân hủy theo sơ đồ phân hủy yếm khí khuẩn yếm khí cellulose.

(C6H10O5)n ---------> 3nCO2 + 3nCH4 + 4,5 Calo
Lượng CO2 sinh ra 1 phần sẽ bị giữ lại bởi các ion K+, Ca2+, Na+, NH3+…

Do đó hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70% CH4.

Ở giai đoạn đầu các chất phân hủy nhanh như tinh bột, protein, đường, 1 phần cellulose bị phân hủy trước tạo nhiều acid hữu cơ sẽ làm chậm quá trình phân hủy. Ngược lại các chất xơ phân hủy từ từ nên gas sinh ra một cách liên tục.

3. Sự phân hủy xảy ra qua hai giai đoạn với hai con đường khác nhau.

3.1. Con đường thứ nhất

Giai đoạn 1
- Sự acid hóa cellulose:
(C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH

- Sự tạo muối:
Các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là NH4OH) sẽ kết hợp các acid hữu cơ.
CH3COOH + NH4OH -> CH3COONH4 + H2O

Giai đoạn 2
Lên men methane do sự phân hủy của muối hữu cơ.
CH3COONH4 + H2 O -> CH4 + CO2 + NH4OH

3.2. Con đường thứ hai

Giai đoạn 1
- Sự acid hóa
(C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH

- Thủy phân acid tạo CO2 và H2:
CH3COOH + 2H2O -> 2CO2 + 4H2

Giai đoạn 2
Methane tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O

Vậy cả hai con đường sự sinh methane phụ thuộc vào quá trình acid hoá. Nếu lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều phân tử sẽ gây ngừng trệ quá trình lên men của methane. Mặt khác, vi khuẩn của sự lên men yếm khí trong giai đoạn này khí đều thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose.

Các vi khuẩn này hầu hết là trực khuẩn có bào tử nằm rải rác ở các họ: Clostridium, Plectridium, Cacduccus, Endosponus, Terminosporus…Các chất tạo thành: CO2, H2, formate, acetate, alchohol, methylamine, rượu... các chất (trừ CO2) đều cho electron và được làm chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sinh khí methane (CH4) chuyên biệt. Nhóm vi khuẩn chuyên biệt này đều có hai coenzyme đặc thù mà các nhóm vi khuẩn khác hầu như chưa thấy:

Coenzyme M.(2-Mercaptoetban-Sulfonic-acid)

Coenzyme F420. (một loại flavin mononuc leotic)

Nhóm vi khuẩn này đã được xác định. Đối với các polysaccharides chuyển thành monosaccharides, trải qua quá trình biến đổi sẽ tạo thành các muối acetate, lactate, ethanol, butyrate, propionate. Sau đó các muối này sẽ phân hủy tạo actate. Muối actate lại thủy phân để tạo methane.

Một số phản ứng minh họa:
* H2 + HCO3- + H+ -> CH4 + 3H2O
* 2CH3CH2OH + 4H2O -> 2CH3COO + H+ + CH4 + H2O
* CH3-CHOH-COO- + H2O -> 2CH3COO- + CH4 + HCO3-
* 4CH3CH2OH + 3H2O -> 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3-
* 2CH3CH2CH2COO- + 2H2O + HCO3- -> 4CH3COO- + H+ + CH4
* CH3COO- + H2O -> CH4 + HCO3-
* 4HCOOH + H2O -> CH4 + 3HCO3- + 3H+
* Methanol
4CH3OH -> 3CH4 + HCO3- + H2O + H+
* Methylamine thủy phân tạo methane
4CH3NH3+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+
2(CH3)NH2+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+
4(CH3)3NH+ + 9H2O -> 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+

4. Quá trình lên men của các chất hữu cơ do các vi sinh vật yếm khí

4.1. Điều kiện yếm khí

Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn.

4.2. Nhiệt độ

Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 450C, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 450C. Nhiệt độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai.

Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí. Vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép là 10C trong mỗi ngày.
Nhiệt độ dưới 100C làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ không được sinh ra hoặc rất ít. Tuy nhiên, là chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu. Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 320C là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí methane.

4.3. pH

pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane. Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7. Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh.

4.4. Ẩm độ

Ẩm độ đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm độ lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp.

4.5. Thành phần dinh dưỡng

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cấp là C và N; với carbon ở dạng là carbohydrate, còn nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac. Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N. Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào. Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí xảy ra tốt.

4.6. Hàm lượng chất rắn

Để hầm ủ hoạt động tốt thì hàm lượng chất rắn nên chiếm dưới 9%, hàm lượng này thay đổi theo mùa thường từ 7 – 9%. Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt độ cao khả năng sinh gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận và ngược lại tỉ lệ chất rắn trong nước phân heo 6% là tối ưu nhất để sinh gas trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, với nhiệt độ trung bình 25 - 27oC.

4.7. Các chất độc gây trở ngại quá trình lên men

Vi khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hưởng các độc tố và các hợp chất hữu cơ. Theo nghiên cứu các chất sau đây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí.

5. Khả năng sinh gas từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau:

- Thể tích của hầm ủ biogas

- Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm

- Thời gian lưu lại của dịch phân

- Từng loại phân khác nhau

- Tỉ lệ phân nước dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân hủy, ngược lại dịch phân quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trình thoát khí.

Ngoài ra yếu tố nhiệt độ, pH, số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo gas.

Tỉ lệ phân nước theo một số tác giả đã điều tra biến thiên từ 1/12 – 1/4 -1/7 thì tỉ lệ phân nước là tốt nhất khi đó sự phân hủy trong hầm ủ rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu đen sậm.

6. Cung cấp năng lượng

- Nấu nướng là công việc thường xuyên và không thiếu được đối với mọi gia đình sử dụng biogas có ưu thế hơn các loại chất đốt truyền thống (củi, vỏ hạt điều, than, vỏ trấu…)

- Taïo nguoàn naêng löôïng môùi chaïy maùy phaùt ñieän.

- Năng lượng: lửa đều, sinh nhiệt cao, nấu nướng nhanh chóng.

- Vệ sinh: không làm cay mắt, hại phổi, các dụng cụ nấu nướng cũng như bộ phận nhà bếp đều sạch sẽ không tạo khói.

- Tiết kiệm: tận dụng thời gian dành cho việc khác.

7. Hạn chế ô nhiễm – bảo vệ môi trường

Nước thải sau quá trình phân hủy trong công nghệ hầm ủ biogas sẽ giảm mùi hôi, không thấy ruồi nhặng đeo bám tiêu diệt mầm bệnh, nhất là ký sinh trùng và các bệnh lây lan khác.