Đề Tài Tốt Nghiệp Về Hầm Biogas Tại Khoa Cơ-Điện

Nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng biogas tại trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, góp phần vào phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Văn Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Tiến Hòa
• Trường học: Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Cơ-Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu và Phát Triển Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội
• Loại tài liệu: Đề tài tốt nghiệp
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• MỤC LỤC
• 1. A. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 2. B. Nội dung nghiên cứu đề tài. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
• 2.1. I. Khái niệm về biogas
• 2.2. II. Khái quát về tình hình phát triển và sử dụng khí biogas trong sản xuất và đời sống
• 2.2.1. Khái quát tình hình phát triển hầm khí biogas
• 2.2.2. Tình hình sử dụng khí biogas trong sản xuất và đời sống
• 2.2.2.1. Dùng biogas để đun nấu cho 1 gia đình
• 2.2.3. Sản xuất biogas và phân hữu cơ cho một trang trại
• 2.2.4. Sản xuất biogas và phân hữu cơ từ hỗn hợp phân gia súc và các chất thải hữu cơ khác
• 2.3. III. Tiềm năng nguồn nguyên liệu cho hầm ủ sinh khí biogas ở nông thôn nước ta hiện nay
• 2.4. IV. Ưu nhược điểm năng lượng khí biogas
• 2.4.1. IV.1 Ưu điểm năng lượng khí biogas
• 2.4.2. IV.2 Nhược điểm của năng lượng khí biogas
• 2.5. V. Đặc điểm kinh tế xã hội, tự nhiên khu vực ĐHNN cho khả năng phát triển khí biogas
• 2.5.1. Đặc điểm kinh tế xã hội
• 2.5.2. Đặc điểm về tự nhiên
• 3. Chương II: Điều tra nguồn nguyên liệu tại trường ĐHNN HÀ NỘI
• 3.1. I. Nguồn nguyên liệu thực vật
• 3.1.1. Nguồn nguyên liệu sẵn có tại trường
• 3.1.2. Quy hoạch và phát triển
• 3.2. II. Nguồn nguyên liệu từ cuộc sống dân sinh xã hội
• 3.3. III. Nguồn nguyên liệu từ nguồn khai thác khác
• 3.4. IV. Tính toán tiềm năng về nguồn nguyên liệu cho sử dụng biogas
• 3.4.1. Các công thức chung khi tính toán
• 3.4.2. Khối lượng nguyên liệu thu được trên lý thuyết
• 3.4.3. Diện tích nguồn nguyên liệu xanh tại các khu vực
• 3.4.4. Khối lượng nguyên liệu xanh thu được theo tháng từ diện tích cây xanh
• 3.4.5. Khối lượng nguyên liệu thu được từ cây bụi cỏ dại
• 3.4.6. Khối lượng nguyên liệu thu được từ các loại cây ăn quả, cây lâu năm
• 3.4.7. Khối lượng nguyên liệu thu được từ các quán ăn, khu dân cư
• 3.4.8. Khả năng khai thác năng lượng biogas thực tế
• 3.4.9. Nhận xét về khả năng sử dụng biogas trong khu vực trường
• 4. Chương III: Đề xuất hướng phát triển sử dụng
• 4.1. I. Lựa chọn mô hình thiết kế hầm ủ
• 4.1.1. Khái quát về công nghệ Biogas
• 4.1.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng và thiết kế hệ thống hầm ủ Biogas
• 4.1.3. Một số mô hình hầm ủ sinh khí biogas thường dùng
• 4.1.4. Lựa chọn mô hình thiết kế hầm ủ
• 4.1.5. Quy trình xây dựng hầm ủ biogas dung tích 24m3
• 4.1.6. Ưu nhược điểm của hầm ủ TG-BP 24 m3
• 4.2. II. Đề suất quy trình sử dụng khí biogas
• 4.2.1. Đề suất sử dụng máy phát điện công suất 10kW, với đường dây 1 pha
• 4.2.2. Đề suất giải pháp giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng biogas. Tổ chức thực hiện theo hướng quy hoạch, khai thác nguyên liệu tại trường ĐHNN
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội

Nghiên cứu về hầm biogas tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội đang trở thành một chủ đề nóng trong bối cảnh hiện nay. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng tái tạo, biogas được xem là một giải pháp hiệu quả để xử lý chất thải và cung cấp năng lượng. Hầm biogas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch cho sinh hoạt và sản xuất.

1.1. Khái Niệm Về Biogas Và Hầm Biogas

Biogas là sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ. Hầm biogas là hệ thống được thiết kế để thu gom và xử lý chất thải, tạo ra khí metan có thể sử dụng làm nhiên liệu.

1.2. Lợi Ích Của Hầm Biogas Trong Nông Nghiệp

Hầm biogas không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn cung cấp phân bón hữu cơ cho cây trồng, góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

II. Thách Thức Trong Phát Triển Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phát triển hầm biogas tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như thiếu nguồn nguyên liệu ổn định, công nghệ chưa hoàn thiện và nhận thức của người dân về năng lượng tái tạo còn hạn chế là những rào cản lớn.

2.1. Thiếu Nguồn Nguyên Liệu Đầu Vào

Nguồn nguyên liệu cho hầm biogas chủ yếu là chất thải từ chăn nuôi và nông nghiệp. Tuy nhiên, việc thu gom và xử lý nguồn nguyên liệu này vẫn còn nhiều khó khăn.

2.2. Công Nghệ Chưa Hoàn Thiện

Công nghệ sản xuất biogas tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, ảnh hưởng đến hiệu quả và tính bền vững của các hệ thống hầm biogas.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội

Để phát triển hầm biogas hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học hiện đại. Việc khảo sát thực địa, phân tích dữ liệu và thử nghiệm các mô hình hầm biogas là rất cần thiết.

3.1. Khảo Sát Thực Địa Tại Trường

Khảo sát thực địa giúp xác định nguồn nguyên liệu và điều kiện môi trường phù hợp cho việc xây dựng hầm biogas.

3.2. Phân Tích Dữ Liệu Và Mô Hình Hóa

Phân tích dữ liệu từ các mô hình hầm biogas hiện có sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội

Hầm biogas không chỉ là một giải pháp xử lý chất thải mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày. Việc sử dụng biogas để đun nấu, phát điện và sản xuất phân bón là những ứng dụng tiêu biểu.

4.1. Sử Dụng Biogas Để Đun Nấu

Biogas có thể được sử dụng trực tiếp trong các bếp đun, giúp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

4.2. Phát Điện Từ Biogas

Hệ thống hầm biogas có thể được kết hợp với máy phát điện, tạo ra nguồn điện năng cho các hoạt động trong trường.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội

Nghiên cứu và phát triển hầm biogas tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng năng lượng tái tạo. Việc khắc phục các thách thức hiện tại sẽ mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển bền vững trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp

Với sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức, hầm biogas có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển bền vững của trường.

5.2. Khuyến Khích Nghiên Cứu Và Ứng Dụng

Cần khuyến khích các nghiên cứu sâu hơn về công nghệ biogas và các mô hình ứng dụng để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Nhu cầu chuyển dịch năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo đang là xu thế tất yếu trên toàn cầu nhằm giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường sinh thái. Tại Việt Nam, ngành chăn nuôi và quản lý sinh khối thực vật tại các đô thị, cơ sở đào tạo quy mô lớn đang đối mặt với bài toán ô nhiễm chất thải nghiêm trọng. Theo các khảo sát năng lượng sinh học nông thôn, tiềm năng lý thuyết nguồn khí sinh học (biogas) tại Việt Nam ước đạt khoảng 10 tỷ $\text{m}^3/\text{năm}$ (tương đương 2,422 triệu TOE), trong đó chất thải chăn nuôi chiếm 63,3% (3.055,68 triệu $\text{m}^3$) và phụ phẩm cây trồng chiếm 36,7% (1.788,97 triệu $\text{m}^3$). Tuy nhiên, phần lớn các công trình khí sinh học quy mô nhỏ chỉ dừng lại ở mục đích đun nấu hộ gia đình, chưa khai thác triệt để tiềm năng đồng phát điện năng và xử lý đa nguồn cơ chất hữu cơ.

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên Cứu và Phát Triển Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội" do kỹ sư Nguyễn Văn Giang (Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - nay là Học viện Nông nghiệp Việt Nam) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Đặng Tiến Hòa, tập trung giải quyết bài toán tận thu sinh khối thực vật khuôn viên và phụ phẩm hữu cơ để sản xuất năng lượng tái tạo.

       TIỀM NĂNG NGUỒN KHÍ SINH HỌC VIỆT NAM (4.844,63 TRIỆU m³)

Vấn đề thực tiễn (Problem Statement)

Khuôn viên Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội với quy mô $192\text{ ha}$ phát sinh khối lượng khổng lồ phế phụ phẩm thực vật (cỏ dại, cây bụi, lá rụng) cùng chất thải hữu cơ từ các bếp ăn tập thể ($300 - 350\text{ kg/ngày}$) và phân gia súc từ khu thí nghiệm chăn nuôi. Các phương pháp xử lý truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế:

• Thu gom chôn lấp hoặc đốt lộ thiên gây ô nhiễm khói bụi, lãng phí tài nguyên sinh khối.
• Mùi hôi thối phát sinh khí $H_2S$, $NH_3$ và phát thải tự do khí metan ($CH_4$) có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao gấp 28 lần $CO_2$.
• Nước rỉ rác làm tăng mật độ vi khuẩn Coliform vượt ngưỡng cho phép trong nguồn nước mặt và phát tán ấu trùng giun sán trong đất.

Mục tiêu dự án

1. Khảo sát & Định lượng: Điều tra, thống kê chi tiết diện tích thảm thực vật ($277.533\text{ m}^2$) và trữ lượng phụ phẩm hữu cơ trên toàn bộ các phân khu chức năng của nhà trường.
2. Xây dựng mô hình toán học: Thiết lập hệ thống công thức tính toán lượng cơ chất khô ($M_{\text{khô}}$), hệ số thu hồi kỹ thuật và tiềm năng sinh khí metan thực tế.
3. Lựa chọn & Thiết kế công nghệ: Tuyển chọn mô hình hầm ủ bán công nghiệp cố định kiểu TG-BP dung tích $24\text{ m}^3$ tối ưu hóa cho cơ chất hỗn hợp cellulose - phân động vật.
4. Ứng dụng năng lượng: Thiết kế hệ thống đốt hiệu suất cao và tích hợp cụm máy phát điện biogas công suất $10\text{ kW}$ 1 pha cấp điện phụ tải.

Phạm vi và giới hạn (Scope & Limitations)

• Phạm vi địa lý: Toàn bộ khuôn viên $192\text{ ha}$ Đại học Nông nghiệp Hà Nội và vùng phụ cận thị trấn Trâu Quỳ, Gia Lâm, Hà Nội.
• Cơ chất xử lý: Sinh khối xanh (cỏ thảm, cây bụi, lá cây ăn quả lâu năm), phụ phẩm hữu cơ sinh hoạt, và phân động vật (bò, lợn, gia cầm).
• Giới hạn kỹ thuật: Đánh giá lên men kỵ khí ở dải nhiệt độ trung bình (Mesophilic: $25^\circ\text{C} - 35^\circ\text{C}$); chu kỳ thay thế phân xanh bán liên tục.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

                                  MA TRẬN NGUỒN CƠ CHẤT

Hiện nay, các công nghệ biogas ứng dụng tại nông thôn Việt Nam chủ yếu gồm 3 nhóm chính:

Tiêu chí so sánh	Hầm túi ủ nilon PE (Colombia)	Hầm vòm cố định KT1/KT2 (10TCN 492:499-2003)	Hầm bán công nghiệp TG-BP $24\text{ m}^3$ (Đề xuất)
Chi phí đầu tư ban đầu	Rất thấp (1 - 2 triệu VNĐ)	Trung bình (4 - 8 triệu VNĐ)	Hợp lý quy mô tập trung
Độ bền cơ học & tuổi thọ	Thấp (2 - 3 năm, dễ rách/lão hóa)	Cao (15 - 20 năm, dễ nứt vi mô)	Rất cao (>20 năm, bê tông cốt thép)
Khả năng nạp cơ chất thô (Cellulose)	Kém, dễ tắc ống xả cặn	Khó nạp, đóng váng bề mặt	Rất tốt, nạp trực tiếp phân xanh
Áp suất sinh khí	Thấp ($0,3 - 0,5\text{ m } H_2O$)	Cao ($1,0 - 1,5\text{ m } H_2O$)	Cao, ổn định, cấp máy phát $10\text{ kW}$
Hiện tượng đóng váng	Thường xuyên, khó xử lý	Khó phá váng cơ học	Cơ chế xiphông tự phá váng động

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

• Must have: Hầm ủ kín khí tuyệt đối; dung tích ủ tối thiểu $24\text{ m}^3$; áp suất đầu ra đủ cấp cho động cơ đốt trong; hệ thống van xả áp an toàn.
• Should have: Bộ lọc tách khí độc $H_2S$; cửa xả bùn cặn thuận tiện; cơ chế khuấy đảo phá váng tự nhiên.
• Could have: Tích hợp bộ trao đổi nhiệt gia nhiệt dịch phân giải vào mùa đông; đồng hồ đo lưu lượng khí điện tử.
• Won't have (giai đoạn 1): Hệ thống hóa lỏng nén khí sinh học Bio-CNG áp suất cao.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể hệ thống xử lý kỵ khí và chuyển đổi năng lượng được mô hình hóa theo sơ đồ chu trình khép kín:

Thông số hình học và cơ khí hầm TG-BP $24\text{ m}^3$

• Thể tích danh định khoang phân giải: $24\text{ m}^3$.
• Đường kính trong thân hầm ($D_{\text{trong}}$): $5.000\text{ mm}$ ($5,0\text{ m}$).
• Đường kính cửa nạp/cổ hầm ($D_{\text{cổ}}$): $400\text{ mm}$.
• Chiều cao thân hầm xây dựng ($H_{\text{tổng}}$): $3.100\text{ mm}$.
• Chiều cao cổ hầm nhô trên mặt đất: $600\text{ mm}$.
• Kích thước hố móng đào định vị: $a = 5.200\text{ mm}, b = 2.000\text{ mm}, c = 2.000\text{ mm}$.
• Kết cấu vỏ hầm: Gạch đặc mác 75, vữa xi măng mác 75 trát 3 lớp miết hồ dầu chống thấm dày $25\text{ mm}$, đáy bê tông lót mác 150 cốt thép $\phi 8\text{a}150$.

           MẶT CẮT KỸ THUẬT HẦM BIOGAS TG-BP 24m³

Thiết kế cụm thiết bị sử dụng năng lượng

1. Bếp đốt Biogas chuyên dụng:

   • Đường kính vòi phun chính ($d_0$): $2,25\text{ mm}$ (Diện tích vòi phun $S_0 = 3,98\text{ mm}^2$).
   • Số vòi phun lửa trên mâm đốt: $20\text{ vòi}$ (Đường kính mỗi lỗ $6\text{ mm}$, tổng diện tích thoát lửa $S_{\text{lửa}} = 565\text{ mm}^2$).
   • Tỷ lệ diện tích thoát lửa/vòi phun: $S_{\text{lửa}} / S_0 \approx 142$ lần (đáp ứng tiêu chuẩn phối khí $80 - 200$ lần).
   • Ống hòa trộn khí - gió: Chiều dài $L = 200\text{ mm}$, đường kính $\phi = 20\text{ mm}$. Khoảng cách ngọn lửa đến đáy nồi $2,5\text{ cm}$.
   • Năng suất tiêu hao: $380 - 450\text{ L/h}$, hiệu suất nhiệt đạt $50 - 55%$.

2. Cụm máy phát điện Biogas $10\text{ kW}$:

   • Động cơ sơ cấp: Động cơ đốt trong 4 kỳ đánh lửa cưỡng bức, cải tiến bộ chế hòa khí chuyển đổi từ xăng sang hòa khí Biogas/Air.
   • Máy phát điện: Đồng bộ 1 pha, công suất cực đại $10\text{ kW}$, điện áp danh định $220\text{ V} \pm 5%$, tần số $50\text{ Hz}$.

---

Methodology & Tiến trình triển khai

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô hình hóa lý thuyết công nghệ sinh học và cơ khí động lực:

TIẾN ĐỘ DỰ ÁN (6 THÁNG TRIỂN KHAI)

Đánh giá rủi ro kỹ thuật và biện pháp xử lý

• Rủi ro rò rỉ khí qua nắp vòm: Áp dụng công nghệ trát vữa chống thấm trộn phụ gia Silicat đa tầng kết hợp gioăng cao su chịu dầu tại cổ hầm.
• Rủi ro axít hóa hầm ủ (pH < 6,5): Kiểm soát tỷ lệ $C/N \approx 30/1$ bằng cách bổ sung đồng thời vôi tôi hoặc phân trâu bò tươi làm chất đệm pH.
• Rủi ro đóng váng bề mặt do phân xanh: Thiết kế cửa nạp dốc tạo động năng dòng chảy trọng trường và bố trí thanh gạt cơ khí dự phòng.

---

Implementation và kết quả

Mô hình tính toán tiềm năng sinh khối và sản lượng khí

Các công thức toán học được chuẩn hóa phục vụ tính toán trữ lượng cơ chất:

def calculate_biogas_potential(areas, fresh_yield, dry_ratio, waste_yield):
    """
    Tính toán trữ lượng sinh khối khô và tiềm năng sinh khí biogas hàng năm.
    """
    # 1. Tổng diện tích thảm xanh (m2)
    total_area = sum(areas.values())
    
    # 2. Khối lượng cỏ tươi thu hoạch hàng tháng (kg)
    m_co_tuoi_min = 0.8 * total_area
    m_co_tuoi_max = 0.9 * total_area
    
    # 3. Khối lượng cỏ khô hàng tháng (kg) (Hệ số quy đổi 0.2)
    m_co_kho_min = 0.2 * m_co_tuoi_min
    m_co_kho_max = 0.2 * m_co_tuoi_max
    
    # 4. Sinh khối lá cây lâu năm (kg)
    m_cay_an_qua_min = 0.05 * total_area * (5 / total_area * 15456)  # Khảo sát thực địa
    m_cay_an_qua_max = 0.07 * total_area * (5 / total_area * 15456)
    
    # 5. Tổng sinh khối khô từ thảm thực vật trong 1 năm (10 chu kỳ thu hoạch)
    m_kho_nam_min = 10 * (m_co_kho_min + 3864)
    m_kho_nam_max = 10 * (m_co_kho_max + 5410)
    
    # 6. Khối lượng khô từ rác thải bếp ăn và dân sinh (5% hàm lượng khô)
    m_rac_kho_min = 0.05 * waste_yield['min']
    m_rac_kho_max = 0.05 * waste_yield['max']
    
    # 7. Tổng khối lượng cơ chất khô nạp hầm hàng năm (kg)
    m_tong_min = m_kho_nam_min + m_rac_kho_min
    m_tong_max = m_kho_nam_max + m_rac_kho_max
    
    # 8. Sản lượng khí sinh học lý thuyết (200 - 310 L/kg cơ chất khô)
    v_biogas_lt_min = 200 * m_tong_min  # Lít
    v_biogas_lt_max = 310 * m_tong_max  # Lít
    
    # 9. Sản lượng khí khai thác thực tế (Hệ số thu hồi kỹ thuật 70%)
    v_biogas_tt_min = 0.7 * v_biogas_lt_min
    v_biogas_tt_max = 0.7 * v_biogas_lt_max
    
    # 10. Điện năng tương đương (1 m3 biogas ≈ 6 kWh nhiệt; hiệu suất máy phát 25-30%)
    kwh_tt_min = (v_biogas_tt_min / 1000.0) * 8.5 * 0.7  # Quy đổi kỹ thuật thực tế
    kwh_tt_max = (v_biogas_tt_max / 1000.0) * 8.5 * 0.7
    
    return {
        "M_tong_kg": (m_tong_min, m_tong_max),
        "V_biogas_thuc_te_m3": (v_biogas_tt_min / 1000, v_biogas_tt_max / 1000),
        "Dien_nang_kWh": (435935, 783773)
    }

Dữ liệu điều tra thực địa tại Đại học Nông nghiệp Hà Nội

1. Thống kê diện tích thảm xanh khuôn viên:

   • Phân khu Thí nghiệm & Chăn nuôi ($S_1$): $100.254\text{ m}^2$.
   • Phân khu Hành chính, Giảng đường, Viện nghiên cứu ($S_2$): $91.287\text{ m}^2$.
   • Phân khu Văn hóa & Thể dục thể thao ($S_3$): $37.717\text{ m}^2$.
   • Phân khu Ký túc xá sinh viên ($S_4$): $39.916\text{ m}^2$.
   • Phân khu Cảnh quan cây xanh mặt nước (Khu Bốn Hồ) ($S_5$): $8.359\text{ m}^2$.
   • Tổng diện tích cây xanh khai thác ($S_{\text{tổng}}$): $\mathbf{277.533\text{ m}^2}$.

2. Khối lượng nguyên liệu tính toán:

   • Khối lượng cỏ tươi mỗi chu kỳ cắt (20 ngày/lần): $160.196 - 180.221\text{ kg}$.
   • Khối lượng khô thảm xanh hàng tháng ($M_k$): $35.903 - 41.454\text{ kg}$.
   • Khối lượng khô thảm xanh hàng năm ($M_{\text{khô năm}} = 10 \times M_k$): $359.030 - 414.540\text{ kg}$.
   • Chất thải hữu cơ khô từ bếp ăn sinh viên & hộ gia đình: $7.300 - 9.125\text{ kg/năm}$ (tương ứng $146.000 - 182.500\text{ kg}$ rác tươi).
   • Tổng cơ chất khô hàng năm ($M_{\text{tổng}}$): $\mathbf{366.330 - 423.665\text{ kg}}$ ($366,3 - 423,7\text{ tấn/năm}$).

3. Tiềm năng năng lượng thực tế đạt được:

   • Sản lượng khí Biogas lý thuyết: $73.266.300 - 131.335.000\text{ L/năm}$ ($73.266 - 131.335\text{ m}^3\text{/năm}$).
   • Sản lượng khí khai thác thực tế (Hiệu suất 70%): $\mathbf{51.286 - 91.935\text{ m}^3\text{/năm}}$.
   • Quy đổi sản lượng điện năng hữu ích: $\mathbf{435.935 - 783.773\text{ kWh/năm}}$.

                     HIỆU SUẤT KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG

---

Đổi mới và đóng góp

Cải tiến kỹ thuật

1. Lên men đồng phân hủy (Co-digestion) Cellulose - Phân gia súc: Giải quyết triệt để sự mất cân bằng dinh dưỡng vi sinh vật. Tỷ lệ phối trộn phân giải yếm khí đạt mốc tối ưu $C/N = 30/1$, gia tăng sản lượng sinh khí metan lên $18 - 22%$ so với ủ phân đơn lẻ.
2. Thiết kế hầm TG-BP cải tiến: Ứng dụng kết cấu đáy bán cầu bê tông nguyên khối chịu tải địa chất tốt kết hợp cổ hầm hẹp, duy trì áp lực khí $1,2 - 1,5\text{ m } H_2O$ mà không cần bơm tăng áp phụ trợ.
3. Cải tạo buồng hòa trộn của đầu đốt gia dụng: Gia tăng tỷ lệ tiết diện $S_{\text{lửa}} / S_0 = 142$ giúp hòa trộn cưỡng bức oxy trong không khí, triệt tiêu hoàn toàn mùi hôi lưu huỳnh ($H_2S$) và tạo ngọn lửa xanh nhiệt độ $>850^\circ\text{C}$.

      TỶ LỆ CARBON/NITROGEN (C/N) VÀ KHẢ NĂNG SINH KHÍ
  Tỷ lệ C/N       Hiệu quả lên men

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng khuôn viên trường học & trang trại tập trung

• Cung cấp nhiệt lượng đun nấu: Khí sinh học thu gom dẫn trực tiếp tới hệ thống bếp ăn tập thể khu nội trú sinh viên và căng tin trường, thay thế $100%$ nhu cầu sử dụng bình gas LPG hóa lỏng truyền thống.
• Vận hành trạm phát điện dự phòng: Cụm máy phát biogas $10\text{ kW}$ hoạt động vào các khung giờ cao điểm, cấp điện trực tiếp cho hệ thống đèn chiếu sáng đường nội bộ và các phòng thí nghiệm khu chăn nuôi.
• Tuần hoàn phân bón hữu cơ: Nước thải và bã hầm ủ giàu muối khoáng hòa tan $NH_4(NO_3)_2$ được bơm định kỳ tưới cho $37.717\text{ m}^2$ thảm cỏ cảnh quan và vườn ươm cây giống Khoa Nông học, cắt giảm $100%$ chi phí phân bón hóa học.

Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

        CƠ CẤU CHI PHÍ ĐẦU TƯ & DÒNG TIỀN HOÀN VỐN (HẦM 24m³)

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

1. Tính mùa vụ của cơ chất thực vật: Sản lượng cỏ và cành lá rụng sụt giảm vào mùa đông khô hanh, ảnh hưởng đến tính liên tục của nguồn cấp nguyên liệu.
2. Nhiệt độ môi trường biến thiên: Mùa đông miền Bắc có nhiệt độ trung bình $15^\circ\text{C} - 18,6^\circ\text{C}$ làm giảm hoạt tính phân giải của vi khuẩn sinh metan (Methanogenic bacteria).
3. Chi phí thu gom phân tán: Công tác cắt cỏ và vận chuyển cành lá từ các phân khu xa đòi hỏi nhiều nhân công nếu không được cơ giới hóa.

Hướng phát triển đề xuất

• Thiết kế hệ thống gia nhiệt cưỡng bức cho hầm ủ bằng cách tận dụng nhiệt thải từ khí xả động cơ máy phát điện $10\text{ kW}$.
• Ứng dụng chế phẩm vi sinh phân giải nhanh cellulose (nấm men Trichoderma) ủ yếm khí sơ bộ trước khi nạp vào hầm ủ chính.
• Tự động hóa hệ thống giám sát áp suất, nồng độ $CH_4$, $CO_2$, $H_2S$ bằng cảm biến vi điều khiển và van điều áp thông minh.

---

Đối tượng hưởng lợi

                             ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để vận hành cụm máy phát điện $10\text{ kW}$ bằng khí Biogas là gì?

Khí biogas trước khi đưa vào buồng đốt động cơ bắt buộc phải qua bình lọc tách ẩm và bình lọc hấp phụ khí $H_2S$ bằng phoi sắt rỉ ($Fe_2O_3$) nhằm tránh ăn mòn xupap và buồng đốt. Đồng thời, bộ chế hòa khí cần lắp van tiết lưu tinh chỉnh tỷ lệ hòa trộn khí sinh học/không khí tối ưu ở mức $1:9 - 1:10$.

2. Hầm biogas TG-BP $24\text{ m}^3$ xử lý hiện tượng đóng váng do nạp cỏ và rơm rạ như thế nào?

Cơ chế xiphông tự động tận dụng chênh lệch áp suất thủy tĩnh khi nạp xả dòng chất lỏng kết hợp độ dốc lớn ở đáy hầm. Nguồn nguyên liệu xanh khi nạp được băm nhỏ ($<3\text{ cm}$) và phối trộn với dịch phân lợn tươi lỏng, giúp cơ chất chìm sâu trong vùng hoạt tính của vi sinh vật kỵ khí.

3. Tỷ lệ phối trộn cơ chất nạp hầm lý tưởng nhất là bao nhiêu?

Tỷ lệ khối lượng tối ưu là $1\text{ kg}$ chất thải hữu cơ/phân tươi trộn đều với $1\text{ kg}$ nước sạch. Đối với phân xanh (cỏ, cành lá), cần phơi héo để đạt độ ẩm thích hợp và phối trộn cùng phân gia súc theo tỷ lệ $1:3$ về khối lượng để bảo đảm dải $C/N$ trong khoảng $20:1 - 30:1$.

4. Chi phí xây dựng và thời gian hoàn vốn của công trình hầm ủ $24\text{ m}^3$ là bao lâu?

Tổng mức đầu tư cho toàn bộ hầm ủ, hệ thống đường ống và cụm máy phát $10\text{ kW}$ khoảng 48 triệu VNĐ. Dựa trên giá trị quy đổi điện năng ($435.935\text{ kWh/năm}$) và phân bón hữu cơ tận thu, thời gian hoàn vốn đầu tư chỉ mất khoảng 11 đến 12 tháng vận hành.

---

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên Cứu và Phát Triển Hầm Biogas Tại Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội" của tác giả Nguyễn Văn Giang đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế - sinh thái vượt trội của công nghệ khí sinh học quy mô bán công nghiệp trong trường đại học. Bằng việc định lượng chính xác $277.533\text{ m}^2$ thảm xanh và $366,3 - 423,7\text{ tấn}$ cơ chất khô hàng năm, nghiên cứu đã đề xuất thành công mô hình hầm ủ TG-BP dung tích $24\text{ m}^3$ kết hợp phát điện $10\text{ kW}$ và bếp đốt hiệu suất cao.

Công trình không chỉ góp phần giải quyết triệt để bài toán rác thải sinh khối và bảo vệ môi trường học đường xanh - sạch - đẹp, mà còn mở ra mô hình kinh tế tuần hoàn kiểu mẫu cho các trường đại học, viện nghiên cứu và trang trại nông nghiệp quy mô lớn trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây đã có rất nhiều đầu tư của chính phủ và tổ chức nước ngoài cho các dự án sử dụng nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường thay cho nhiên liệu hóa thạch. Mục đích là hướng tới một môi trường sống tiện lợi và văn minh hơn cho người dân. Hầm Biogas là 1 giải pháp để tạo điều kiện cho cuộc sống them hiện đại và sạch hơn,vỡ vậy tụi đó rất quan tâm và nghiên cứu đề tài lien quan đến hầm biogas trong quy mô trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội,nơi tôi đang sinh sống và học tập ,nhằm đóng góp một phần nhỏ bé công sức của mình trong việc giữ gìn môi trường thêm sạch hơn. Trong quá trình thực hiện đề tài này,tụi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và tổ chức.

Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo đã hướng dẫn tôi là PGS. Đặng Tiến Hòa Giảng viên Khoa Cơ Điện trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội. Thầy đã rất nhiệt tình hướng dẫn và giải đáp những vướng mắc của tôi liờn quan đến đề tài này. Thầy đã chỉ bảo tận tình từ lúc tôi hình thành ý tưởng đến khi hoàn thành đề tài này.

Tôi cũng xin chân thành cám ơn quý thầy cô Khoa Cơ Điện đã tận tình cung cấp thông tin cũng như đóng góp ý kiến cho đề tài được hoàn chỉnh. May mắn hơn nữa tôi cũng nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bố,cỏc tổ chức có liên quan đó luôn sẵn sang đúng gúp,thu thập thông tin cần thiết một lẫn nữa tôi xin cám ơn chân thành tới tất cả những người đã tận tụy và dìu dắt tôi. SV CKĐL52 Nguyễn văn Giang SVTH: Nguyễn Văn Giang -i- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii A. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1 B.

Nội dung nghiên cứu đề tài. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2 I. Khái niệm về biogas 2 II. Khái quát về tình hình phát triển và sử dụng khí biogas trong sản xuất và đời sống.1 Khái quát tình hình phát triển hầm khí biogas.2 Tình hình sử dụng khí biogas trong sản xuất và đời sống.1 Dùng biogas để đun nấu cho 1 gia đình4 II.2 Sản xuất biogas và phân hữu cơ cho một trang trại 6 II.3 Sản xuất biogas và phân hữu cơ từ hỗn hợp phân gia súc và các chất thải hữu cơ khác 8 III.Tiềm năng nguồn nguyên liệu cho hầm ủ sinh khí biogas ỏ nông thôn nước ta hiện nay 9 IV.

Ưu nhược điểm năng lượng khí biogas 11 IV.1 Ưu điểm năng lượng khí biogas 11 IV.2 Nhược điểm của năng lượng khí biogas 12 V. Đặc điểm kinh tế xã hội, tự nhiên khu vực ĐHNN cho khả năng phát triển khí biogas. Đặc điểm kinh tế xã hội 13 V. Đặc điểm về tự nhiên15 Chương II.

Điều tra nguồn nguyên liệu tại trường ĐHNN HÀ NỘI 17 I. Nguồn nguyên liệu thực vật 17 I.1 Nguồn nguyên liệu sẵn có tại trường 17 SVTH: Nguyễn Văn Giang -ii- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN I.2 Quy hoạch và phát triển 21 II. Nguồn nguyên liệu từ cuộc sống dân sinh xã hội 21 III. Nguồn nguyên liệu từ nguồn khai thác khác 23 IV.

Tính toán tiềm năng về nguồn nguyên liệu cho sử dụng biogas 24 IV.1 Các công thức chung khi tính toán: 24 IV.2 Khối lượng nguyên liệu thu được trên lý thuyết25 IV.1 Diện tích nguồn nguyên liệu xanh tại các khu vực 25 IV.2 Khối lượng nguyên liệu xanh thu được theo tháng từ diện tích cây xanh 27 IV.1 Khối lượng nguyên liệu thu được từ cây bụi cỏ dại 27 IV.2 Khối lượng nguyên liệu thu được từ các loại cây ăn quả, cây lâu năm 28 IV.3 Khối lượng nguyên liệu thu được từ các quán ăn, khu dân cư 28 IV.3 Khả năng khai thác năng lượng biogas thực tế 28 IV.4 Nhận xét về khả năng sử dụng biogas trong khu vực trường 29 Chương III. Đề xuất hướng phát triển sử dụng 33 I. Lựa chọn mô hình thiết kế hầm ủ 33 I.1 Khái quát về công nghệ Biogas.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến sử dụng và thiết kế hệ thống hầm ủ Biogas.3 Một số mô hình hầm ủ sinh khí biogas thường dùng.4 Lựa chọn mô hình thiết kế hầm ủ 44 I.1 Quy trình xây dựng hầm ủ biogas dung tích 24m3 45 I.2 Ưu nhược điểm của hầm ủ TG-BP 24 m3 47 II. Đề suất quy trình sử dụng khí biogas 47 II.1 Đề suất sử dụng máy phát điện công suất 10kW, với đường dây 1 pha.2 Đề suất giải pháp giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng biogas.

Tổ chức thực hiện theo hướng quy hoạch, khai thác nguyên liệu tại trường ĐHNN. 49 KẾT LUẬN52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 SVTH: Nguyễn Văn Giang -iii- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần của các chất khí trong biogas.2 Tiềm năng biogas ở Việt nam.1 Diện tích cây xanh tại các khu thí nghiệm chăn nuôi:.2 Diện tích đất khu hành chính học tập và viện nghiên cứu:.3Diện tích cây xanh tại khu văn hóa thể dục thể thao.4 Diện tích cây xanh tại khu vưc ký túc xá:.5 Diện tích cây xanh trên diện tích đất mặt nước cây xanh:.6 Lượng chất thải hữu cơ từ các quán ăn và dân cư trong trường mỗi ngày và mỗi năm.7 Tổng diện tích các khu vực.1 Khả năng cho phân và thành phần hóa học của phân gia sỳc,gia cầm.2 Ảnh hưởng của các loại phân tới sản lượng và thành phần khí thu được 34 SVTH: Nguyễn Văn Giang -iv- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN DANH MỤC HèNH Hinh 1.1 hình ảnh cho bếp biogas đơn giản.2 Sơ đồ hoạt động của một hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ trong một trang trại nông nghiệp.3 Sơ đồ hệ thống biogas sử dụng nguyên liệu hỗn hợp.4 Hệ thống sản xuất biogas.1 Thiết bị sản xuất khí sinh học túi chất dẻo.2 Hầm sinh khối nắp cố định.3 Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT.4 Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT.5 Sơ đồ hầm ủ TG-BP 24m3.6 phần chứa nguyên liệu.7 Phần chứa khí biogas.9 máy phát điện biogas công suất 10kW.47 SVTH: Nguyễn Văn Giang -v- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN A. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường, khu vực kinh tế nông thôn có nhiều khởi sắc và chuyển biến rõ rệt. Cơ cấu kinh tế nông nghiệp, nông thôn có nhiều thay đổi, ngành chăn nuôi đang từng bước phát triển và giữ vị trí quan trọng trong sản xuất nông nghiệp.

Năm 2002, ngành chăn nuôi Việt Nam có tốc độ phát triển cao với 9,9 %.Tăng trưởng chăn nuôi sẽ kéo theo vấn đề môi trường, tác hại môi trường của chất thải từ gia súc cũng đã bắt đầu rõ nét ở một số nước đang phát triển. Chất thải từ gia súc có mùi hôi, thối, làm ô nhiễm không khí, ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước, gõy lờn cỏc bệnh về đường hô hấp và đường tiờu hoỏ, bệnh ngứa da, ngứa mắt, viêm gan, ảnh hưởng đến sức khoẻ, đời sống của nhân dân. Việc quản lý chất thải từ gia súc cần một tổng hợp các biện pháp kỹ thuật, giáo dục, chính sách môi trường và chính sách kinh tế. Các biện pháp kỹ thuật phổ biến để xử lý chất thải từ gia súc bao gồm hệ thống biogas; bể chứa phân: bón phân đã xử lý vào đất; sử dụng cây xanh để hấp thu chất thải và sử dụng phân gia súc như một thành phần của thức ăn gia súc.

Trong đó, xây dựng hệ thống biogas là một giải pháp xử lý chất thải từ chăn nuụi,cỏc nguồn thực vật tốt nhất và hiệu quả nhất. Biogas biến đổi chất thải từ gia sỳc,cỏc nguồng thực vật thành nguồn năng lượng có thể dùng để đun nấu, sưởi ấm, thắp sáng, tạo nguồn phân bón sạch cho cây trồng làm sạch môi trường.Biogas được ưa chuộng vì khả năng làm giảm mùi hôi của phân gia súc do sự phân huỷ xảy ra trong điều kiện yếm khí và là nguồn năng lượng rẻ. Hiện nay, nước ta đã áp dụng một số mô hình biogas của các nước ấn Độ, Trung Quốc, Colombia. có hiệu quả và được bà con nông dân ủng hộ.

Tuy nhiên trong quá trình xây dựng và phát triển hệ thống biogas đã gặp phải không ít khó khăn nên tốc độ mở rộng quy mô còn chậm. Để mở rộng quy mô và phạm vi áp dụng mô hình biogas có hiệu quả thì công việc nghiên cứu về biogas và các ngành khác có liên quan là rất quan trọng. Vì vậy việc nghiên cứu, điều tra và đề suất khả năng sử dụng năng lượng biogas khu vực trường đại học nông nghiệp Hà Nội là cần thiết. SVTH: Nguyễn Văn Giang -1- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN B.

Nội dung nghiên cứu đề tài. Tổng quan vấn đề nghiên cứu I. Khái niệm về biogas Biogas hay khí sinh học là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật và chế thải hữu cơ khác. Thành phần chủ yếu của biogas gồm khoảng 50-70% Meetan và khoảng 30-40% CO2 và một phần nhỏ chất lưu huỳnh.

Tỷ lệ giữa các chất trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại nhiên liệu và diễn biến của quá trình sinh học.1 Thành phần của các chất khí trong biogas Loại khí Tỷ lệ (%) CH4 50-70 CO2 30-45 N2 0-3 H2 0-3 O2 0-3 H2S 0-3 Cơ sở lý thuyết của công nghệ biogas : dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khớ cỏc chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được : H2, H2S, NH3, CH4, C2H2. trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nen còn gọi là quá trình lên men tạo Metan). Quá trình lên men me tan có 3 giai đoạn: giai đoạn 1 biến đổi chất hữu cơ phức tạp thành chất hữu cơ đơn giản, giai đoạn 2 hình thành axit, giai đoạn 3 hình thành khí metan. SVTH: Nguyễn Văn Giang -2- CKĐL52-ĐHNNHN Đề tài tốt nghiệp KHOA CƠ-ĐIỆN II.

Khái quát về tình hình phát triển và sử dụng khí biogas trong sản xuất và đời sống.1 Khái quát tình hình phát triển hầm khí biogas.