MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về đề tài 1. Tính cấp thiết của đề tài Thực tại ô nhiễm môi trường trong những thập niên gần đây đang là một vấn đề cấp bách của xã hội, hiện tượng ô nhiễm môi trường đang diễn ra khắp mọi nơi. Hiện nay, ô nhiễm trong nông nghiệp chăn nuôi là một vấn đề cấp thiết đặt ra nhiều thử thách cho các nhà môi trường.
Cùng với việc tăng số lượng gia súc đã làm tăng số lượng chất thải chăn nuôi và gây ô nhiễm môi trường. Do đó, vấn đề đặt ra là việc quản lý chất thải chăn nuôi để vừa ngăn chặn tác nhân gây ô nhiễm từ chất thải này vừa tái tạo năng lượng phục vụ sản xuất đang là vấn đề đặt ra cho ngành chăn nuôi và các ngành công nghệ khác. Công nghệ biogas nói riêng và công nghệ khí sinh học nói chung đã vạch ra cho người chăn nuôi một hướng giải quyết mới trong việc lựa chọn phương án thiết kế thi công một công trình xử lý chất thải chăn nuôi một cách hiệu quả nhất. Khí biogas sau khi tạo thành được sử dụng rộng rãi thay thế cho nhiên liệu, chất đốt trong các hộ gia đình, chạy máy phát điện.
Hơn nữa, chất thải sau khi xử lý bằng công nghệ biogas đã được kiểm nghiệm và cho thấy đây là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho cây trồng, vật nuôi và các loại động thực vật thủy sinh. Ngược lại, nếu chưa được xử lý, chất thải chăn nuôi sẽ là nơi chứa nhiều mầm bệnh của các loại vi khuẩn gây bệnh, các chất hữu cơ, các chất chứa ni-tơ và axit photphoric…Chúng có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt lẫn nước ngầm. Nước ô nhiễm chảy xuống sông, suối, ao hồ làm giàu các chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm nguồn nước. Khi phân hủy sẽ tạo ra mêtan và amôniắc, hidrosunfua là những chất có mùi hôi thối, đồng thời gây hiện tượng nóng lên của toàn cầu.
Vì thế, việc quản lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas đã làm hạn chế đáng kể lượng phát thải, mang lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, và đặc biệt là mang lại một nguồn lợi ích không nhỏ cho người chăn nuôi. Vì vậy, việc thiết kế một hệ thống biogas quy mô gia đình sao cho nó hoạt động có hiệu quả, phục vụ cho sinh hoạt mang lại hiệu quả kinh tế và giảm các tác hại của chất thải trong chăn nuôi là vấn đề cấp thiết cần được giải quyết trong đề tài này. Chuyên ngành Hóa dầu 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT - Thiết kế một hệ thống tạo biogas cho quy mô hộ gia đình. Mục tiêu của đề tài Giải quyết được các vấn đề về môi trường.
Công suất của hệ thống biogas này là 10m3. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về công nghệ biogas, các mô hình biogas. - Công nghệ biogas dùng hầm biogas composite hiện nay. - Tính toán thiết kế một hệ thống biogas hoàn chỉnh cho hộ gia đình công suất 10m3.
- Dự đoán khả năng làm việc và hiệu quả khi đưa vào thực tế. Phương pháp thực hiện đề tài - Phương pháp thu thập, tổng hợp thông tin từ sách vở, tài liệu, báo chí. - Phương pháp khảo sát tình hình dựa trên thực tế. - Phương pháp phân tích, lựa chọn tính toán.
Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa thực tiễn - Khi thực hiện đề tài này sẽ giúp các hộ gia đình giải quyết vấn đề chất thải trong chăn nuôi từ đó tạo ra được khí gas phục vụ trong sinh hoạt của hộ gia đình. - Giúp các hộ chăn nuôi thấy được lợi ích của việc sử dụng hệ thống biogas trong việc sử lý chất thải, góp phần bảo vệ môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế, phát triển xã hội. - Giảm thiểu các vấn đề về ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, giảm hiệu ứng nhà kính. Ý nghĩa khoa học.
Khí Biogas là khí thiên nhiên được sản xuất khá rộng rải ở nước ta hiện nay, đặc biệt ở vùng nông thôn vì vậy việc sử dụng nhiên liệu khí Biogas để phục vụ nhu cầu sử dụng của các hộ gia đình sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia. Chuyên ngành Hóa dầu 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này. Đưa ra các đề xuất khác mang lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải trong chăn nuôi, sinh hoạt… 1. Một số ưu điểm của nhiên liêu Biogas.
Về mặt môi trường. Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường. Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel). Không chứa hydrocacbon thơm nên không gây ung thư.
Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày). Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất. Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ. Về mặt kỹ thuật Biogas rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào.
Về mặt kinh tế Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có. Đa dạng hoá nền nông nghiệp, tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn. Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ. Chuyên ngành Hóa dầu 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS 2.Tìm hiểu chung về Biogas Khái niệm: Biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh, để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất, biogas là chữ viết tắt của biological gas, nó là hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường yếm khí.
Thành phần Biogas : CH4, CO2, N2 ,H2, H2S …, trong đó CH4, CO2 là chủ yếu: CH4: 60 – 70 % CO2: 30 – 40 % Và một lượng nhỏ khí N2, H2, CO. Chuyên ngành Hóa dầu 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT 2.2 Sơ đồ sản xuất Biogas biogas Nguyên liệu 4 3 1 2 5 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas 1- Bể lắng cát. 4- Tháp hấp thụ CO2 2-Hầm biogas composite 5- Bể đựng chất thải 3-Tháp hấp phụ H2S Nguyên lý làm việc của hệ thống: Chuyên ngành Hóa dầu 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT Phân tươi từ chuồng trại sau khi thu gom được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát. rồi qua ống dẫn phân vào hầm biogas (2).
Ở hầm biogas xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau: Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý tạo Biogas (Nguồn [12]) Sau khi lên men hỗn hợp khí Biogas được dẫn vào hệ thống lọc khí H2S (3) và làm sạch khí CO2 (4), hỗn hợp được lọc chứa phần trăm H2S và CO2 nhỏ, thành phần trăm CH4 chiếm khoảng 80%- 97,9%. Sau đó hỗn hợp theo đuờng ống dẫn gas và đưa vào sử dụng. Các chất cặn bã sau khi phân huỷ được dẫn ra bể chứa chất thải (5), được tưới cho cây trồng làm phân bón. Tính năng của Biogas 2.
Thành phần chủ yếu của Biogas Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, thời gian lên men (là thời gian chất thải bị vi sinh vật phân huỷ). Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí. Hỗn hợp này thông thường bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% hydrogen sulfide (H2S).
Hàm lượng H2S khoảng từ 100 đến 2000 ppm. Thỉnh thoảng cũng gặp trường hợp nhỏ hơn 2 ppm và cao hơn 8000 ppm. Lượng vết nitrogen (đến 10%), hydrogen (đến 5%), Chuyên ngành Hóa dầu 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT oxygen, và các thành phần khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, do hàm lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất khó phát hiện và thường chẳng quan trọng.
Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2 2. Các tính chất của Biogas Bảng 2.1: Các tính chất của các thành phần Biogas ( Nguồn [6]) Carbon Các tính chất vật lý Methane (CH4) Dioxide (CO2) Trọng lượng phân tử 16.83 0C) Khối lượng riêng 0.0 0F Nhiệt độ nguy hiểm (=64.89 0C) Áp suất nguy hiểm 45.10-4 Nhiệt dung Cp (1atm) J/ kg-0C Tỷ lệ Cp/Cv 1.403 J/kg Giới hạn cháy 5-15 % Thể tích Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không 0.0947 Thể tích khí 0.0581 KLượng Chuyên ngành Hóa dầu 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học- Khóa 2008-2012 Trường ĐHBRVT 2. Tình hình sử dụng biogas trong hộ gia đình Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài được nhiều nhà khoa học quan tâm lựa chọn nghiên cứu nhằm tăng khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch, khí biogas là một trong những loại nhiên liệu được nghiên cứu ở trên. Do khí biogas trong hộ gia đình thường được sử dụng để: Nhiên liệu để đun nấu Dùng để thắp sáng Chạy máy phát điện Hoạt động các thiết bị điện khác 2.
Cơ sở lý thuyết của công nghệ Biogas 2. Cơ sở lý thuyết Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khí các 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 (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan Sơ đồ tổng quát của quá trình lên men Methan Hình 2.