Khí sinh học là gì? Các nghiên cứu khoa học về Khí sinh học

Khí sinh học là gì?

Khí sinh học (biogas) là một loại khí có thể cháy, được sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật. Quá trình này diễn ra trong điều kiện yếm khí (không có oxy), tạo ra hỗn hợp khí gồm chủ yếu là metan (CH₄) và carbon dioxide (CO₂), cùng với một lượng nhỏ hydro sulfua (H₂S), amoniac (NH₃), hydro (H₂), và nitơ (N₂).

Khí sinh học là một dạng năng lượng tái tạo, có thể được sử dụng cho mục đích đun nấu, phát điện, sưởi ấm hoặc làm nhiên liệu thay thế. Quá trình sản xuất khí sinh học không chỉ giúp khai thác năng lượng từ chất thải mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính.

Thành phần và tính chất hóa lý của khí sinh học

Thành phần khí sinh học thay đổi tùy theo nguồn nguyên liệu và điều kiện lên men. Trung bình, khí sinh học bao gồm:

• Metan (CH₄): 50–70%, là thành phần chính tạo ra giá trị năng lượng cao. Metan là khí dễ cháy, có nhiệt trị cao.
• Carbon dioxide (CO₂): 30–50%, không cháy, làm giảm hiệu suất đốt cháy.
• Hydro sulfua (H₂S): 0,01–1%, là khí độc, ăn mòn thiết bị, cần được xử lý loại bỏ.
• Hơi nước, amoniac, khí trơ: Chiếm tỷ lệ nhỏ, ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng sử dụng khí.

Giá trị nhiệt của khí sinh học dao động từ 20 đến 26 MJ/m³, tùy thuộc vào tỷ lệ metan. So sánh với khí thiên nhiên (35–40 MJ/m³), biogas có giá trị năng lượng thấp hơn nhưng lại có lợi thế về chi phí và nguồn gốc tái tạo.

Quy trình tạo ra khí sinh học

Khí sinh học được tạo ra thông qua quá trình phân hủy sinh học kỵ khí diễn ra trong bốn giai đoạn:

1. Thủy phân (Hydrolysis): Các phân tử lớn như cellulose, protein, lipid được vi sinh vật thủy phân thành các đơn vị nhỏ như đường đơn, axit amin, glycerol.
2. Axit hóa (Acidogenesis): Các chất trung gian được vi khuẩn chuyển thành các axit hữu cơ (axit propionic, axit butyric), ethanol, CO₂, và H₂.
3. Axetat hóa (Acetogenesis): Các axit hữu cơ và rượu tiếp tục chuyển hóa thành axetat, H₂ và CO₂ – tiền chất cho quá trình sinh metan.
4. Metan hóa (Methanogenesis): Vi khuẩn methan sử dụng axetat và H₂ để tạo ra CH₄ và CO₂. Đây là bước cuối cùng sinh ra khí sinh học có thể khai thác.

Phản ứng tổng quát có thể biểu diễn như sau:

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 3CO_2 + 3CH_4$

Toàn bộ quá trình yêu cầu điều kiện nhiệt độ ổn định (thường từ 35–55°C) và pH khoảng 6,8–7,2 để vi sinh vật hoạt động hiệu quả.

Các loại nguyên liệu sử dụng cho khí sinh học

Nguyên liệu đầu vào là yếu tố quyết định đến hiệu suất sinh khí. Các loại nguyên liệu phổ biến gồm:

• Phân chuồng: Phân bò, lợn, gà, dê – chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy.
• Chất thải hữu cơ sinh hoạt: Vỏ rau củ, thức ăn thừa, giấy vụn, bã cà phê.
• Phụ phẩm nông nghiệp: Rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, thân cây ngô – thường cần xử lý sơ bộ do khó phân hủy.
• Bùn thải công nghiệp: Từ các nhà máy chế biến thực phẩm, lò mổ, nhà máy bia, sữa.

Tỷ lệ carbon/nitơ (C/N) của nguyên liệu là yếu tố quan trọng, tối ưu trong khoảng 20:1 đến 30:1 để đảm bảo quá trình lên men hiệu quả và tránh sinh khí yếu hoặc mất ổn định hệ vi sinh.

Thiết kế và cấu tạo hệ thống khí sinh học

Hệ thống sản xuất khí sinh học (digester) thường bao gồm các thành phần sau:

• Bể ủ khí (digester): Nơi diễn ra quá trình phân hủy kỵ khí. Có thể là bể nắp cố định, nắp nổi hoặc dạng túi mềm.
• Bể nạp nguyên liệu: Dẫn nguyên liệu vào bể ủ. Có thể trộn sẵn với nước để tạo độ loãng phù hợp (5–10%).
• Bể thu bã và thoát nước thải: Thu gom chất rắn sau khi lên men, sử dụng làm phân bón.
• Ống dẫn và kho chứa khí: Dẫn khí từ bể ủ đến nơi sử dụng hoặc lưu trữ.

Các hệ thống quy mô lớn còn tích hợp thiết bị lọc H₂S, tách CO₂, nén khí và hệ thống phát điện hoặc bơm khí vào lưới phân phối.

Ứng dụng thực tế của khí sinh học

Khí sinh học có thể được khai thác và sử dụng theo nhiều cách, tùy quy mô:

• Hộ gia đình: Dùng đun nấu, thắp sáng, thay thế nhiên liệu hóa thạch. Phổ biến ở nông thôn Việt Nam, Ấn Độ, Trung Quốc.
• Nông trại và hợp tác xã: Phát điện tại chỗ, cung cấp năng lượng cho hệ thống tưới tiêu, sấy nông sản.
• Nhà máy xử lý chất thải: Khí sinh học được phát điện và bơm lên lưới điện quốc gia.
• Giao thông: Sau khi xử lý nâng cao, biogas có thể dùng làm nhiên liệu thay thế CNG trong xe buýt, taxi.

Lợi ích môi trường và kinh tế

Sử dụng khí sinh học mang lại nhiều giá trị:

• Giảm ô nhiễm môi trường: Tái sử dụng chất thải, hạn chế mùi hôi và vi sinh vật gây bệnh.
• Giảm phát thải khí nhà kính: Hạn chế CH₄ từ phân chuồng và CO₂ từ đốt than, củi.
• Tiết kiệm chi phí năng lượng: Gia đình và doanh nghiệp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu thương mại.
• Sản phẩm phụ hữu ích: Phân bón sinh học giàu dinh dưỡng từ bã thải.

Khó khăn và triển vọng phát triển

Một số thách thức chính trong phát triển khí sinh học gồm:

• Thiếu đầu tư ban đầu: Hệ thống bể ủ cần chi phí xây dựng đáng kể, đặc biệt với mô hình quy mô lớn.
• Vấn đề kỹ thuật: Thiết kế không đúng kỹ thuật, bảo trì kém gây rò rỉ khí hoặc hiệu suất thấp.
• Thiếu chính sách hỗ trợ: Cần cơ chế ưu đãi tín dụng, trợ giá thiết bị, và hướng dẫn kỹ thuật.

Tuy nhiên, với xu hướng phát triển năng lượng bền vững và tăng trưởng nông nghiệp hữu cơ, khí sinh học đang là lựa chọn chiến lược tại nhiều quốc gia. Nhiều chương trình hỗ trợ của tổ chức quốc tế như GIZ, UNEP, và các tổ chức phi chính phủ đang thúc đẩy ứng dụng rộng rãi khí sinh học ở các nước đang phát triển.

Tài liệu tham khảo và liên kết hữu ích

• UNEP – Biogas Overview
• EESI – Biogas Fact Sheet
• GIZ – Biogas Support Programme
• European Biogas Association
• Schneider Electric Vietnam – Ứng dụng năng lượng tái tạo