Methane (hay metan) xuất hiện ở khắp nơi trong đời sống: trong bản tin về biến đổi khí hậu, trong câu chuyện hầm biogas ở trang trại, trong cảnh báo an toàn tại hầm cầu và bãi rác. Thế nhưng nếu dừng lại tự hỏi “Methane thực ra là gì, nó sinh ra từ đâu, và vì sao một phân tử nhỏ như vậy lại đáng quan tâm đến thế”, phần lớn chúng ta sẽ thấy hiểu biết của mình còn khá mơ hồ. Bài viết này, hãy cùng BIOGENCY tìm hiểu chi tiết hơn về chất này.
Methane là gì?
Methane là hydrocarbon đơn giản nhất, công thức hóa học CH₄, gồm một nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử hydro. Nó là thành viên đầu tiên và nhẹ nhất của dãy đồng đẳng ankan. Theo US EPA, Methane chính là thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên (natural gas), nên nó vừa là một nguồn năng lượng quan trọng, vừa là một khí nhà kính cần được quản lý chặt chẽ.
Trong tự nhiên, Methane có mặt ở rất nhiều nơi như trong các mỏ dầu và khí, dưới đáy bùn ao hồ, trong đầm lầy, dưới hầm biogas hay tầng đất ngập nước. Chính vì gắn với môi trường bùn lầy, Methane còn được gọi dân dã là “khí bùn ao” hay “khí đầm lầy”. Một điều quan trọng cần ghi nhớ ngay từ đầu: Methane không phải chất xa lạ hay nhân tạo, mà là sản phẩm tự nhiên của các quá trình sinh học và địa chất đã diễn ra hàng triệu năm. Vấn đề chỉ thực sự nảy sinh khi hoạt động của con người làm lượng phát thải tăng vọt.
Đặc điểm và tính chất vật lý của khí Methane
Phân tử CH₄ có cấu trúc tứ diện đối xứng với bốn liên kết C–H giống hệt nhau. Đặc điểm “không mùi” là yếu tố nguy hiểm bậc nhất, bởi con người gần như không thể phát hiện rò rỉ bằng giác quan; mùi của khí gas dân dụng thực ra đến từ chất tạo mùi được thêm vào. Bảng dưới đây tổng hợp các tính chất chính:
| STT | Tính chất | Giá trị / đặc điểm |
| 1 | Công thức hóa học | CH₄ (1 carbon, 4 hydro) — ankan đơn giản nhất |
| 2 | Trạng thái ở điều kiện thường | Khí không màu, không mùi, không vị |
| 3 | Khả năng cháy | Rất dễ cháy, cho ngọn lửa màu xanh |
| 4 | Khối lượng riêng | Khoảng 0,717 kg/m³ (nhẹ hơn không khí) |
| 5 | Nhiệt độ hóa lỏng | Khoảng −162 °C |
| 6 | Nhiệt độ hóa rắn | Khoảng −183 °C |
| 7 | Nhiệt độ tự bốc cháy | Khoảng 537 °C |
| 8 | Tính tan | Không tan trong dung môi phân cực, chỉ tan trong dung môi không phân cực |
Khí Methane sinh ra từ quá trình nào?
Methane phát sinh từ cả nguồn tự nhiên lẫn nguồn do con người. Nguồn tự nhiên gồm đầm lầy, đất ngập nước, trầm tích đáy biển, mối và quá trình rò rỉ địa chất. Tuy nhiên, phần làm thay đổi cán cân khí hậu lại đến từ hoạt động con người.
Theo US EPA, các nguồn phát thải Methane nhân tạo chủ yếu bao gồm: bãi chôn lấp rác, hệ thống khai thác và vận chuyển dầu khí, hoạt động nông nghiệp (đặc biệt là chăn nuôi gia súc nhai lại), khai thác than, quá trình đốt cháy, xử lý nước thải và một số quy trình công nghiệp. Riêng tại Hoa Kỳ, ba nguồn lớn nhất là hệ thống dầu khí, quá trình lên men trong dạ cỏ của gia súc, và bãi chôn lấp. Điểm chung của hầu hết các nguồn sinh học này là một cơ chế duy nhất: phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy. Hiểu được cơ chế đó là chìa khóa để hiểu toàn bộ câu chuyện về Methane.
– Quá trình phân huỷ kỵ khí
Phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là quá trình vi sinh vật phân giải chất hữu cơ trong môi trường không có oxy. Đây là cơ chế sinh học quan trọng nhất tạo ra Methane, diễn ra ở đồng ruộng ngập nước, ao hồ, đầm lầy, trầm tích đáy biển và cả dưới hầm cầu. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí mà người vận hành cần nắm rõ.
Quá trình này không xảy ra trong một bước mà trải qua bốn giai đoạn nối tiếp:
- Đầu tiên là thủy phân, khi các phân tử hữu cơ phức tạp như tinh bột, protein, chất béo bị cắt thành phân tử nhỏ hơn như đường, axit amin, axit béo.
- Tiếp theo là axit hóa, các sản phẩm trên chuyển thành axit béo dễ bay hơi, rượu, khí CO₂ và H₂.
- Giai đoạn thứ ba là acetate hóa, tạo ra axit acetic, CO₂ và hydro.
- Cuối cùng là sinh Methane, do nhóm vi khuẩn cổ sinh Methane (methanogens) đảm nhiệm, biến axit acetic và hydro thành CH₄.
Hỗn hợp khí sinh ra trong quá trình lên men yếm khí không chỉ có Methane mà còn gồm amoniac (NH₃), carbonic (CO₂), hydro sunfua (H₂S) và một số khí khác. Điều đáng lưu ý với người làm kỹ thuật là chuỗi bốn giai đoạn này rất nhạy cảm: nếu nhóm vi khuẩn sinh Methane bị ức chế do nhiệt độ, độ pH hay tải lượng hữu cơ thay đổi đột ngột, axit sẽ tích tụ, hệ thống “chua” lại và lượng khí sụt giảm. Đây chính là lý do việc kiểm soát quần thể vi sinh trong hầm biogas lại quan trọng đến vậy
– Quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, chưng cất than đá
Bên cạnh con đường sinh học, Methane còn phát sinh mạnh từ các hoạt động liên quan đến nhiên liệu hóa thạch. Khí Methane xuất hiện trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất than đá và khai thác khí thiên nhiên. Vì Methane là thành phần chính của khí thiên nhiên, mọi công đoạn khai thác, nén, vận chuyển và phân phối đều tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ.
US EPA chỉ ra rằng tại nhiều quốc gia, dầu khí và than là nguồn phát thải Methane hàng đầu. Ví dụ Trung Quốc phát thải nhiều từ khai thác than, còn Nga chủ yếu từ hệ thống dầu khí. Một điểm đáng suy ngẫm mà EPA nêu ra là vì sao việc thu hồi Methane chưa phổ biến dù mang lại lợi ích: trong nhiều ngành, Methane chỉ là sản phẩm phụ. Các mỏ than chẳng hạn, từ lâu chỉ xem việc xả Methane ra ngoài là biện pháp phòng nổ, chứ không coi đó là nguồn năng lượng có giá trị cần thu hồi.
Nhận thức này đang dần thay đổi, như là khí metan còn có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy công nghiệp, cung cấp năng lượng cho các hộ gia đình và vận hành máy điều hòa không khí, cùng nhiều ứng dụng khác.
– Bãi chôn lấp chất thải từ nhà ở và doanh nghiệp
Bãi chôn lấp rác là một trong những nguồn phát thải Methane lớn và đang được giới khoa học chú ý đặc biệt. Khi chất thải hữu cơ như thực phẩm thừa, gỗ, giấy bị chôn vùi, chúng phân hủy trong điều kiện thiếu oxy, đúng cơ chế phân hủy kỵ khí đã mô tả ở trên, và sinh ra một dòng khí giàu Methane liên tục trong nhiều năm.
Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy các bãi rác đang phát thải Methane nhiều hơn so với những tính toán trước đây, một phần do lượng rác hữu cơ ngày càng lớn ở các đô thị. Đây là lý do nhiều bãi chôn lấp hiện đại được trang bị hệ thống thu gom khí để vừa giảm phát thải, vừa tận dụng làm năng lượng. Với một quốc gia đang đô thị hóa nhanh và phát sinh khối lượng rác sinh hoạt lớn như Việt Nam, đây là bài toán môi trường rất thực tế Methane từ bãi rác nếu không được kiểm soát sẽ vừa gây mùi, vừa tạo nguy cơ cháy, vừa góp phần làm nóng khí hậu.
– Chất thải từ chăn nuôi
Một nguồn phát thải Methane đặc trưng của nông nghiệp đến từ hoạt động chăn nuôi gia súc, lớn nhất là các loài nhai lại như bò, dê, cừu. Trong dạ cỏ của những loài này tồn tại một hệ vi sinh vật phong phú giúp lên men thức ăn giàu chất xơ. Quá trình lên men yếm khí đó tạo ra Methane, sau đó được con vật thải ra ngoài chủ yếu qua đường ợ hơi. Hiện tượng này được gọi là “lên men ruột” (enteric fermentation), và theo US EPA, đây là một trong những nguồn Methane nhân tạo lớn nhất.
Bên cạnh quá trình tiêu hóa, lượng phân và nước thải chăn nuôi cũng tiếp tục phân hủy kỵ khí và sinh thêm Methane nếu được lưu trữ trong điều kiện thiếu oxy. Với các trang trại quy mô vừa và lớn, đây vừa là vấn đề phát thải, vừa là vấn đề xử lý chất thải và mùi hôi. Tuy nhiên, chính đặc điểm “phân và nước thải tạo ra Methane” lại mở ra hướng giải quyết thông minh: thay vì để khí thoát tự do, người ta thu gom dòng chất thải đó vào một hệ thống kín và biến phát thải thành năng lượng. Đó chính là nguyên lý của hầm biogas.
Vì sao Methane là khí nhà kính cần ưu tiên kiểm soát?
Vì methane là khí nhà kính nhân tạo phổ biến thứ hai sau CO₂ (~11% phát thải toàn cầu), giữ nhiệt mạnh hơn CO₂ hơn 28 lần trên 100 năm, nhưng lại tồn tại ngắn nên cắt giảm sẽ làm dịu khí hậu nhanh.
Trong hai thế kỷ qua nồng độ methane trong khí quyển đã tăng hơn gấp đôi, phần lớn do hoạt động của con người. Một điểm khiến methane trở thành mục tiêu hành động hấp dẫn là nó tồn tại ngắn: trong khi CO₂ lưu lại hàng trăm năm thì methane chỉ tồn tại khoảng hơn một thập kỷ trước khi phân hủy. Vì vừa mạnh vừa ngắn hạn, cắt giảm methane là một trong những đòn bẩy hiệu quả nhất để hạ nhiệt Trái Đất trong ngắn hạn.
Vậy Methane có nguy hiểm không?
Methane không độc về hóa học nhưng nguy hiểm theo hai cách: tích tụ trong không gian kín gây ngạt do chiếm chỗ oxy, và rất dễ cháy nổ khi trộn với không khí. Tham khảo cách xử lý hầm biogas ít khí, có mùi hôi để giảm rủi ro.
Vì nhẹ hơn không khí và không mùi, methane dễ tích tụ ở hầm cầu, hầm chứa, đường ống, trần kho mà không bị phát hiện. Khi nồng độ đủ cao và gặp tia lửa hoặc nguồn nhiệt, nó có thể phát nổ; khí H₂S sinh ra cùng methane còn gây mùi hôi và ăn mòn thiết bị. Vì vậy, mọi hệ thống sinh ra methane đều cần quan trắc khí, thông gió và quy trình an toàn lao động nghiêm ngặt; trang bị thiết bị đo khí và cảm biến cảnh báo nồng độ là yêu cầu bắt buộc để bảo vệ con người.
Tận dụng khí Methane làm chất đốt hiệu quả bằng hầm Biogas
Metan là một loại khí nhà kính mạnh, gây ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu bằng cách đi vào khí quyển góp phần làm tăng sự nóng lên của Trái Đất. Có nhiều phương pháp để giảm phát thải khí Metan ra môi trường. Trong đó, hầm Biogas là mô hình đang rất được ưa chuộng ở các trang trại chăn nuôi quy mô vừa đến lớn, thậm chí là áp dụng ngay ở quy mô hộ gia đình.
Cụ thể, hầm Biogas là nơi chứa phân, nước thải của gia súc. Quá trình phân giải các chất thải hữu cơ trong môi trường kỵ khí sẽ sinh ra hỗn hợp khí Biogas, trong đó: Metan chiếm đến 60%,30% là CO2, còn lại là các khí khác N2, H2S, O2, CO,… Mô hình này có nhiều biến thể với chi phí và độ bền khác nhau; bạn nên cân nhắc ưu nhược điểm của các loại hầm Biogas trước khi đầu tư.
Lượng khí Biogas thu được sẽ được sử dụng làm năng lượng sạch để làm khí đốt hay điện năng sử dụng trong các hoạt động hàng ngày. Vừa mang lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm chi phí điện năng vừa giảm tác hại đến môi trường.
Vai trò của vi sinh kỵ khí trong việc tối ưu sinh khí Methane
Nếu hầm Biogas là “cỗ máy” thì quần thể vi sinh kỵ khí chính là “động cơ”. Toàn bộ hiệu quả sinh khí phụ thuộc vào việc nhóm vi khuẩn sinh Methane có khỏe mạnh và đủ đông hay không. Trong thực tế vận hành, nhiều hầm Biogas không có ga, sinh ít khí, nhiều bùn, mùi hôi nặng, đơn giản vì hệ vi sinh trong hầm bị mất cân bằng hoặc chưa đủ chủng vi khuẩn chuyên biệt.
ELI Biosciences BGE1 là men vi sinh đã được Viện Nghiên Cứu Sinh Thái Hoa Kỳ phát triển bằng cách sử dụng các chủng vi sinh vật kỵ khí chuyên biệt cho quá trình phân hủy hữu cơ tại hầm Biogas.
Men vi sinh không chỉ giúp tạo khí nhanh, tăng lượng khí Biogas từ 30 – 50%. Đồng thời còn giảm nồng độ H2S sinh ra, giảm mùi hôi cũng như lượng bùn thải, nồng độ BOD, COD, TSS trong 4-8 tuần. Điều này vừa tiết kiệm thời gian, chi phí và nhân công nạo vét hầm vừa hỗ trợ đáng kể cho công đoạn xử lý nước thải sau đó.
ELI Biosciences BGE1 được đánh giá là giải pháp hoàn hảo cho hầm Biogas, bạn đồng hành tin cậy của các trang trại cũng như đơn vị xử lý chất thải. Sản phẩm có thể ứng dụng cho cả 3 loại hầm Biogas thông dụng hiện nay:
- Hầm Biogas sử dụng bạt chống thấm HDPE.
- Hầm Biogas sử dụng Composite.
- Hầm Biogas làm bằng Bêtông.
Với những chia sẻ ở trên, hy vọng bài viết đã giải đáp được thắc mắc khí Methane là gì, nguồn gốc sinh ra cũng như các ứng dụng và giải pháp tận dụng khí Methane hiệu quả trong mô hình hầm Biogas.
Nếu quan tâm đến các phương án nhằm tăng hiệu quả sinh khí của hầm Biogas, vui lòng liên hệ BIOGENCY qua HOTLINE 0909 538 514 để được hỗ trợ nhanh nhất.
>>> Xem thêm: Biện pháp xử lý chất thải trong chăn nuôi triệt để
