CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái niệm và lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học 1. Một số khái niệm Khí sinh học và công trình khí sinh học Phân hủy các hợp chất hữu cơ là hoạt động diễn ra liên tục trong tự nhiên, có thể xảy ra trong điều kiện kỵ khí hoặc hiếu khí. Trong đó, quá trình phân hủy kỵ khí (yếm khí) các chất hữu cơ của một số loại vi sinh vật tạo ra các sản phẩm khí dễ cháy (chủ yếu là khí Metan – CH4) và các phụ phẩm bao gồm nước thải và chất khô.
Các hỗn hợp khí được sinh ra từ quá trình phân hủy yếm khí này gọi là khí sinh học – bioags [17], [48], [108], [94]. Quá trình vi sinh vật phân hủy yếm khí các chất thải hữu cơ đã được con người ứng dụng vào đời sống sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển các thiết bị để sản xuất và sử dụng khí sinh học vào đời sống, gọi là các công trình khí sinh học hay thiết bị khí sinh học. Một công trình khí sinh học cơ bản gồm 3 phần: bể nạp, bể phân giải, và bể điều áp [88], [110].
Sử dụng an toàn và hiệu quả công trình biogas hộ gia đình Khái niệm an toàn và hiệu quả trong sử dụng công nghệ khí sinh học nhằm mô tả khả năng phân hủy chất thải, loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh và hiệu suất sinh khí của công trình biogas. Các chất thải sau xử lý bằng công trình biogas an toàn hơn với môi trường, vật nuôi và con người. An toàn trong sử dụng còn đề cập đến các sự cố liên quan đến quá trình vận hành và sử dụng công trình biogas và các sản phẩm của nó bao gồm khí biogas và các phụ phẩm. Các sự cố được đề cập tới trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng biogas bao gồm: cháy nổ, ngạt khí.
Từ tổng quan các tài liệu liên quan, trong khuôn khổ nghiên cứu này, khái niệm an toàn và hiệu quả trong sử dụng biogas được chia thành 2 nội dung chính, gồm: i) An toàn và hiệu quả vệ sinh môi trường; ii) An toàn cháy nổ và ngạt khí trong sử dụng. Trong nghiên cứu này không đề cập tới các nội dung liên quan đến hiệu quả hiệu suất sinh khí biogas của công trình biogas hoặc hiệu quả kinh tế từ sử dụng khí biogas là nguồn năng lượng thay thế [17], [19], [42], [39], [100]. 5 An toàn và hiệu quả trong sử dụng công trình biogas cần đảm bảo trong toàn bộ quá trình vận hành công trình biogas tại hộ gia đình, từ chuẩn bị chất thải, nạp chất thải, sử dụng khí biogas, theo dõi và bảo trì, bảo dưỡng công trình biogas. Cộng tác viên truyền thông giáo dục sức khỏe Cộng tác viên truyền thông giáo dục sức khỏe (sau đây gọi tắt là Giáo dục viên – GDV) chỉ những người dân trong nhóm nòng cốt của nhóm can thiệp, là những người được tập huấn kiến thức và kỹ năng truyền thông về sử dụng an toàn và hiệu quả công trình biogas hộ gia đình.
Những giáo dục viên là người thực hiện truyền thông về sử dụng an toàn và hiệu quả công trình biogas hộ gia đình cho những người dân khác trong nhóm can thiệp. Lịch sử phát triển Hiện tượng khí dễ cháy sinh ra khi chất thải hữu cơ được thu gom và lưu trữ khối lượng lớn đã được ghi nhận từ rất sớm trong lịch sử phát triển loài người. Năm 1868, Bechamp đã xác định thành phần khí này chứa chủ yếu là khí Metan. Trong những năm 1890s, Omelianski đã báo cáo về hoạt động của vi khuẩn trong điều kiện yếm khí đã lên men cellulose và một trong các sản phẩm của nó là khí Metan.
Các phát hiện này đã mở ra những cơ chế đầu tiên và là nền móng quá trình phát triển, ứng dụng của công nghệ khí sinh học (sau đây gọi là biogas) trong nông nghiệp và đời sống [9], [18], [25], [88], [91], [108]. Công nghệ khí sinh học phát triển mạnh tại châu Âu theo mô hình các nhà máy khí sinh học quy mô công nghiệp và được coi là nguồn năng lượng tái tạo, sạch cho tương lai [106], [101], [79]. Các công trình biogas quy mô nông trại được phát triển rộng rãi tại Đức, Anh, Đan Mạch, Pháp, Italia và nhiều nước khác [124]. Công nghiệp phát triển, rác thải rắn gia tăng cùng các vấn đề biến đổi khí hậu đã đưa nhu cầu phát triển biogas với nhiều cải tiến về công nghệ và quy mô [124], [127], [128].
Ngày nay, khí tạo ra từ biogas được sử dụng để sưởi ấm và tạo ra điện năng phục vụ sinh hoạt và sản xuất tại nhiều nước châu Âu và các nước phát triển. Tại các nước nông nghiệp, biogas chủ yếu được xây dựng ở quy mô nông hộ hoặc nông trại nhằm hai mục đích chính gồm hỗ trợ xử lý rác thải và tạo ra chất đốt trong 6 sinh hoạt giúp giảm chi phí tiêu dùng [23], [46], [49], [74]. Một số công trình biogas quy mô nông trại, trang trại có thể được chuyển thành dạng điện năng cung cấp cho thắp sáng và vận hành thiết bị nông nghiệp như máy sưởi, máy ấp [20], [28], [70]. Các Chương trình khí sinh học được triển khai tại nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Indonesia, Thái Lan, Bangladesh, các nước khu vực Sahara góp phần quản lý và xử lý chất thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và vật nuôi.
Tại Việt Nam, biogas được đưa vào thử nghiệm khá sớm và đã trở thành một trong các biện pháp hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi quy mô nông hộ. Chương trình Khí sinh học cho ngành Chăn nuôi Việt Nam đã cùng các cơ quan chính phủ xây dựng và chuyển giao nhiều công trình biogas cho các nông hộ trên cả nước [18], [20]. Nhiều mô hình biogas được phát triển để đáp ứng nhu cầu của người dân cũng như điều kiện đặc thù của Việt Nam [22], [27]. Trong đó, ba loại công trình biogas được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam gồm công trình biogas xây bằng gạch và xi măng, công trình biogas nhựa composite, và công trình biogas bạt chống thấm HDPE [28], [29] , [36].
Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của công trình khí sinh học 1. Nguyên lý hoạt động Công trình khí sinh học ứng dụng khả năng phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ của một số loại vi sinh vật để xử lý chất thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt [17], [62], [110], [120]. Khí sinh học sinh ra trong quá trình hoạt động của công trình biogas là một hỗn hợp của nhiều chất khí, trong đó thành phần chủ yếu là Mê tan (CH4) và Cacbonic (CO2) [55], [41], [82]. Khí sinh học của công trình biogas được sử dụng làm chất đốt và nhiều ứng dụng khác trong sinh hoạt như thắp sáng, chạy máy phát điện.
Phụ phẩm của công trình biogas gồm nước thải, bã thải chứa hàm lượng N, P, K và một số yếu tố vi lượng có thể sử dụng làm phân bón cây trồng và có khả năng cải tạo đất tốt. Tuy nhiên, phụ phẩm sinh học cũng là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và là nguồn chứa các vi sinh vật gây bệnh nếu quá trình xử lý chất thải của công trình biogas không đạt hiệu quả như thiết kế [10], [17], [31], [82]. Cấu tạo và phân loại biogas Hiện nay, công nghệ khí sinh học đã phát triển nhiều loại công trình biogas khác nhau phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và thiết kế. Dưới đây là thiết kế cơ bản của công trình biogas nắp cố định được xây dựng và ứng dụng phổ biến tại Việt Nam (Hình 1.1) [19], [29], [75], [62]: - Bể nạp (3): là nơi nạp nguyên liệu đầu vào - Ống lối vào (5): là đường dẫn nguyên liệu vào bể phân giải - Bể phân giải (1): là bộ phận chính của công trình biogas, nơi diễn ra quá trình phân giải yếm khí nguyên liệu nạp vào, nơi chứa dịch phân giải - Ống lối ra (6): là đường dẫn dịch sau phân giải ở bể phân giải ra bể điều áp - Bể điều áp (2): là bộ phận điều hòa áp suất khí trong bể phân giải, chứa dịch sau phân giải và đóng vai trò van an toàn của công trình biogas - Ống thu khí (4): là bộ phân thu và dẫn khí sinh học ra ngoài công trình biogas Hình 1.
Cấu tạo công trình biogas nắp cố định (Nguồn: Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam)[19] 1. Một số loại công trình biogas phổ biến Công trình biogas nắp cố định hình hộp: Nguyên vật liệu chế tạo là gạch và xi măng. Loại công trình biogas này có ưu điểm về kỹ thuật xây dựng đơn giản. Tuy nhiên, loại công trình này có nhiều nhược điểm như tốn nhiều vật liệu, các góc cạnh hay bị nứt, thể tích hoạt động thực của bể nhỏ hơn thể tích thiết kế do các góc cạnh của bể là vùng tĩnh.
8 Công trình biogas nắp cố định hình trụ: Nguyên vật liệu xây dựng là gạch và xi măng. Công trình có kỹ thuật xây dựng đơn giản, tiết kiệm vật liệu, hạn chế góc cạnh Công trình biogas nắp cố định hình vòm cầu: Công trình biogas được xây dựng bằng xi măng và gạch, nắp công trình hình vòm, công trình phân giải được xây ngầm dưới đất. Loại công trình biogas này rất thích hợp với quy mô HGĐ chăn nuôi nhỏ. Loại công trình biogas nắp cố định vòm cầu phổ biến với 2 sản phẩm là KT1 và KT2, được chọn đưa vào các thiết kế mẫu của tiêu chuẩn ngành về công trình KSH nhỏ do Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn quy định (Hình 1.2) KT1 KT2 Hình 1.
Thiết kế công trình biogas mẫu KT1 và KT2 (Nguồn: Hoàng Kim Giao – Sổ tay quản lý chất lượng )[19] Loại công trình túi ủ: Bể phân giải của công trình biogas (túi ủ) được chế tạo bằng chất dẻo hoặc nilon. Công trình biogas dạng túi ủ có ưu điểm là chi phí xây dựng thấp. Túi ủ được thiết kế nằm nông và có phần nổi trên mặt đất, thích hợp với những vùng có mạch nước ngầm cao. Tuy nhiên, công trình biogas dạng túi ủ dễ hỏng, cần bảo dưỡng thường xuyên, áp suất khí thấp, tuổi thọ thấp, nhạy cảm với nhiệt độ môi trường và cần diện tích bề mặt lớn.
Công trình biogas dạng kết hợp (Công trình VACVINA cải tiến): Là loại công trình biogas nắp cố định hình hộp kết hợp túi chứa khí bằng nilon. Công trình biogas dạng kết hợp ít chịu tác động của thời tiết, giá thành rẻ, dễ xây dựng và tốn ít đất.