CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ PHÁT TRIỂN HẦM BIOGAS 1. Lý luận về hầm biogas 1. Khái niệm Trong nền phát triển kinh tế việc khai thác sử dụng tài nguyên thiên nhiên là không thể thiếu.Tuy nhiên, khai thác quá mức sẽ dẫn đến cạn kiệt các nguồn nhiên liệu. Vì vậy, trong thời đại khoa học kỷ thuật ngày càng phát triển, yêu cầu của con người ngày càng cao hướng tới nguồn tài nguyên sạch thân thiện với môi trường vừa đảm bảo sức khỏe, nguồn nguyên liệu này phải đáp ứng nhu cầu sản xuất tiêu dùng phục vụ người dân, khí sinh học ngày càng được chú ý đến và ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn.
Khí sinh học là một loại nhiên liệu có giá trị là chất đốt, cháy với ngọn lửa xanh lơ nhạt và không khói …dùng để tạo ra nhiệt lượng phục vụ đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người. Khí Biogas là một khí sinh học thân thiện với môi trường nó là một hỗn hợp khí được sản xuất từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí. Hỗn hợp này có tỷ lệ gồm CH4 chiếm 60- 70 %và CO2 chiếm 30 -40 % .Trong đó khí CH4 được sử dụng chủ yếu trong hoạt động sản xuất và tiêu dùng .Theo ước tính của bộ năng lượng Hoa Kỳ, nếu sử dụng tất cả nguồn nguyên liệu có thể tạo ra khí sinh học dể dùng trong vận chuyển thì năng lượng này có thể làm giảm 500 triệu tấn khí cacbonic hàng năm tương đương với số lượng 90 triệu xe dùng trong một năm. Lượng khí CH4 này chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học.
Nó phụ thuộc vào loại phân, tỷ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy. Để tạo ra loại khí này người ta thường sử dụng một hệ thống sản xuất có tên gọi là hầm biogas. Hầm biogas là bể kín chứa phân và chất thải hữu cơ từ quá trình chăn nuôi sản xuất …được ủ lên men trong điều kiện môi trường yếm khí để tạo nên khí biogas. Chất thải được thải ra từ hầm biogas bao gồm có nước thải lỏng và phụ phẩm đặc biệt.
Bã thải được xem như sản phẩm có giá trị sử dụng với nhiều mục đích trong trồng SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 14 trọt chăn nuôi thủy hải sản còn có thể làm thức ăn bổ sung cho lợn cho cá, rất hợp vệ sinh. Bảng 1: Khả năng cho phân và thành phần hóa học của phân gia súc gia cầm Khả năng cho phân Thành phần hóa học % của 500 kg vật khối lượng phân tươi nuôi/ngày Vật nuôi Trọng Thể tích Chất tan lượng Ni tơ Phốt pho Tỷ lệ C/N m3 dễ tiêu tươi (kg) Bò sữa 0. Các loại hầm biogas Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại hầm biogas như : - Hầm ủ nắp vòm cố định - Hầm ủ TG-BP ( Thai German – Biogas program ) - Hầm ủ nắp trôi nổi - Hầm ủ CT1 - Hầm túi ủ bằng nylon - Hầm ủ chuông riêng biệt - Hầm ủ UASB - Hầm biogas nhựa composite - Hầm ủ được xây bằng gạch - Hầm ủ bạt HDPE Có rất nhiều loại hầm biogas được ứng dụng nhiện nay nhưng chúng ta chỉ tìm hiểu ba loại hầm ủ phổ biến ở Việt Nam đó là hầm ủ biogas được xây bằng gạch, hầm biogas composite và hầm ủ bạt HDPE SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 15 1. Loại hầm Biogas sử dụng loại bạt HDPE (chống thấm) Dự án đầu tư sinh lợi cao (IRR>90% ) Hình 1: Hầm biogas bạt chống thấm HDPE Đặc điểm của loại hầm sử dụng bạt chống thấm HDPE như sau: - Chi phí lắp đặt hiện nay là thấp nhất (giá thành giao động từ 100.000vnđ/m3) - Phù hợp với các mô hình xử lý chất thải từ các nhà máy chế biến nông sản và các trang trại chăn nuôi heo, bò.
Nhược điểm của loại hầm này: - Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của ứng dụng Màng HDPE là việc hàn ghép màng chống thấm HDPE đòi hỏi cao về kỹ thuật và biện pháp thi công cũng như máy hàn nhiệt chuyên dùng, rất đắt tiền và thường hư hỏng do phải thi công trong điều kiện khắc nghiệt (độ ẩm cao, nước thải ô nhiễm, hóa chất, phân, bùn …). SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 16 2. Hầm Biogas được xây bằng gạch và bê tông Hình 2: Hầm biogas xây bằng gạch và bê tông Hầm biogas xây bằng gạch đến nay có rất nhiều nhược điểm như: dễ bị lún, nứt, dễ bị dò khí ra ngoài không khắc phục được gây nguy hiểm cho người sử dụng. Dùng một thời gian do nhiệt độ nóng nên bị axit ăn mòn mặt bê tông bị nhũn thành bùn, làm chơ bể bị dò khí ra ngoài, phải nạp nguyên liệu nhiều và thường xuyên.
Không tự động phá váng được, lên men kỵ khí không đạt tối ưu. Thời gian lên Gas rất lâu, kinh phí xây dựng tốn kém và thiếu hiệu quả. Hầm Biogas composite Cấu tạo chung của các loại bể Biogas Composite gồm có các bộ phận sau: 1. Bể phân giải các nguyên liệu đầu vào 2.
Ngăn chứa khí 3. Các ống dẫn khí 4. Cửa nạp nguyên liệu đầu vào 5. Hệ thống cửa xả SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 17 Trong đó có 3 bộ phận chính gồm bể phân giải nguyên liệu, hệ thống điều áp và hệ thống chứa lượng khí tạo ra.
Ba bộ phận được lắp ghép thành một khối hoàn chỉnh, sau đó được chôn dưới mặt đất Hình 3: Hầm biogas Composite Hầm biogas composite với những ưu điểm vượt trội như độ bền cao, chống được va đập, lún, tuyệt đối kín khí, chống rò rỉ gas, đặc biệt hầm biogas composite có khả năng tự động phá váng và đẩy các loại bã phân sau khi được xử lý ra khỏi hầm. Có hệ thống khử mùi góp phần khử sạch mùi hôi khó chịu. Nguồn nguyên liệu để sản xuất khí gas Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật Nguyên liệu này bao gồm phân và nước tiểu của gia súc gia cầm và chất thải của con người … Các loại chất thải này được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên dễ phân giải và nhanh chóng tạo khí sinh học. Thời gian phân giải của phân không dài ( khoảng 2-3 ) tháng và tổng sản lượng khí thu được từ 1kg phân cũng không lớn.
Chất thải từ gia súc như trâu bò lợn, phân giải nhanh hơn chất thải gia cầm và chất thải người, nhưng sản lượng khí của chất thải gia cầm và chất thải người cao hơn. SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 18 Bảng 2: Lượng chất thải hàng ngày của động vật Động vật Lượng chất thải hàng ngày (kg/ngày/cá thể) Phân Nước tiểu Bò 15-20 6-10 Trâu 18-25 8-12 Dê cừu 1,5-2,5 0,6-1,0 Lợn 1,2-3,0 4-6 Gia cầm 0,02-0,05 0 Người 0,2-0,4 0,3-1,0 Nguồn : Thiết bị khí sinh học KT1 và KT2, Nguyễn Quang Khải Bảng 3: Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được Sản lượng khí Hàm lượng Thời gian lên men Nguyên liệu (m3/kg phân khô) CH4 ( ngày ) Phân bò 1.11 57 10 Phân gia cầm 0.02 68 20 Phân người 0.38 --- 21 Nguồn : báo nôngnghiệp Việt Nam 2009 Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật gồm lá cây và phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ thân lá ngô, khoai , đậu …). Rác sinh hoạt hữu cơ (rau quả , lương thực bỏ đi …) và các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh ). Nguyên liệu từ thực vật có vỏ cứng khó phân hủy nên để quá trình phân hủy diễn ra thuận lợi, người ta thường phải xử lý sơ bộ ( xay đập nhỏ trước khi đưa vào hầm sinh học.
SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 19 Thời gian phân hủy nguyên liệu của thực vật thường lâu hơn thời gian phân hủy của những nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật. Thường vận dụng theo cách vận hành từng mẻ, mỗi mẻ 3-6 tháng. Quy trình hoạt động của hầm Phân động vật Giai đoạn thủy phân Quá trình lên mem Giai đoạn sinh axit và hidro Giai đoạn tạo thành khí Khí Biogas metan Sơ đồ 1: Ba giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân Phân giải các chất hữu cơ và chất hữu cơ chứa polymer, các chất béo, lignin. Phần lớn các polymer được phân hủy bởi các enzim ngoại bào của vi khuẩn tạo thành những chất có phân tử lượng nhỏ hơn và có khả năng tan trong nước.
Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có lượng nhỏ tan được, là nguyên liệu cho các vi khuẩn sinh axit hấp thụ ở giai đoạn 2. Những phản ứng của giai đoạn này biến đổi những chất hữu cơ như protein thành aminoaxit thành các đường đơn, chất béo thành các axit chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ như cellulose, lignin rất khó phân hủy đây là giới hạn của quá trình phân hủy kỵ khí. Giai đoạn 2 : Giai đoạn sinh axit và hydro SVTH: Hoàng Thị Ánh Ngọc 20 Các chất hữu cơ đơn sản xuất ở giai đoạn 1 được các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành axitacetic H2 và CO2 etanol,metanol .Số lượng sản phẩm này tùy thuộc vào thành phần hóa học của nguyên liệu lên men, phương pháp lên men Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo thành khí metan Sản phẩm ở giai đoạn 2 được nhóm vi khuẩn metan chuyển hóa thành CH4 và các sản phẩm khác.
Vi khuẩn metan phát triển và tham gia trao đổi chất trong điều kiện hoàn toàn kỵ khí, tốc độ phát triển chậm hơn so với vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 .Các vi khuẩn sử dụng các khí axitacetic, methanol, CO2, H2 để sản xuất metan trong đó axit acetic là nguyên liệu chính với 70 – 80% CH4. Bảng 4: Các khí được sinh ra Tỷ lệ % Trung tâm ngành Thành phần Theo Chongrak Theo Trần Hiếu nước và môi Polpraset 1989 Nhuệ 1993 trường 1999 CH4 55-65 55-75 65-76 CO2 23-45 25-40 25-30 N2 0-3 2-7 Ít H2 0-1 1-5 Ít NH3 0-1 Ít Ít H2 S - Ít Ít 1. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo khí Biogas 1. Nhiệt độ Nhiệt độ và sự biến đổi nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng tới tốc độ sinh khí.
Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí metan. Messophilic nhiệt độ thường tầm 20 -450C và thermophilic nhiệt độ cao trên 450C , nhiệt độ tối ưu cho vùng thứ nhất là 350C và nhiệt độ tối ưu cho vùng thứ hai là 550C. Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới sự sinh khí. Vi khuẩn sinh khí metan rất ngạy cảm với biên độ nhiệt.