TIỂU LUẬN MÔN HỌC *Cơ Chế Tạo Khí Sinh Học Trong Công Nghệ Biogas

Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang LỜI NĨI ĐẦU Thực nhiễm mơi trường thập niên gần vấn đề cấp bách xã hội, tượng ô nhiễm môi trường diễn khắp nơi, thấy rác thải Điều đặt nhiều thử thách cho nhà mơi trường Bên cạnh việc tăng số lượng gia súc làm tăng số lượng chất thải chăn ni Do việc đặt quản lý chất thải chăn nuôi để vừa ngăn chặn tác nhân gây ô nhiễm từ chất thải vừa tái tạo lượng phục vụ cho đời sống sản xuất vấn đề đặt cho ngành chăn nuôi ngành công nghệ khác Công nghệ Biogas hay công nghệ sinh học vạch cho người chăn nuôi hường giải việc lựa chon phương án thiết kế thi công cơng trình xử lý chất thải cách hiệu Hơn chất thải sau xử lý công nghệ Biogas kiểm nghiệm cho thấy nguồn dinh dưỡng tốt cho trồng, vật nuôi loại động thực vật thủy sinh Ngược lại, chưa xử lý , chất thải chăn nuôi nơi chứa nhiều mầm bệnh loại vi khuẩn gây bệnh, chất hữu cơ, chất chứa nito, axit photphoric… làm ô nhiễm nguồn nước mặt lẫn nước ngầm Nước mặt ô nhiễm chảy xuống sông, suối, ao hồ, gây tượng làm giàu chất dinh dưỡng nước Khi phân hủy tạo metan, amoniac, hidrosunfua chất có mùi thối đồng thời gây tượng nóng lên tồn cầu Vì xử lý chất thải chăn nuôi công nghệ Biogas làm hạn chế phát thải, mang lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, đặc biệt mang lại lợi ích không nhỏ cho người chăn nuôi Khí sinh học phát vào năm đầu kỉ 17, cơng nghệ sản suất khí sinh học (Cơng nghệ Biogas) sử dụng nguồn lượng thay vào cuối kỉ 19 Trên đường phố Exeter nước Anh, việc sử dụng khí sinh học để làm điện thắp sáng đèn đường phố vào năm 1896 Công nghệ Biogas ngày phát triển khắp giới Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang I Khái niệm biogas- khí sinh học: Biogas sản phẩm khí q trình lên men kỵ khí phân giải hợp chất hữu phức tạp thành hợp chất hữu đơn giản sản phẩm khí metan Thành phần chủ yếu biogas : CH4 chiếm khoảng 60% - 70% CO2 chiếm khoảng 30% - 40% Các khí khác với hàm lượng thấp H2S, O2,N2… *Cơ Chế Tạo Khí Sinh Học Trong Cơng Nghệ Biogas Đây q trình phân hủy kị khí chất hữu phức tạp thành dạng đơn giản với khí chất hịa tan tác dụng vi sinh vật yếm khí Chu kì phân hủy thường chọn 30 ngày điều kiện nhiệt độ 25 – 35oC VSV (C6H10O5)n + nH2O 3nCO2 + 3nCH4 + 4.5cal To = 35oC pH = Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang II.Lợi ích biogas mang lại: Như nói việc phát triển mạnh cơng nghệ khí sinh học thành công mang lại nhiều tiện lợi cho sống người dân góp phần vào việc giải quyêt triệt để vấn đề môi trường, đặc biệt ngành chăn ni nói cơng nghệ mang lại nhiều lợi ích, góp phần lớn việc phát triển kinh tế đất nước, nước phát triển ta Đối với nước ta công nghệ phát triển cách không lâu, khoảng đầu thập niên 60 mang lại nhiều lợi ích, tìm hiều số lợi ích mà Biogas mang lại như: - Thứ lợi ích mặt xã hội - Thứ hai lợi ích nơng nghiệp - Thứ ba lợi ích môi trường Giải vấn đề chất đốt, lợi ích xã hội: Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Việc phát triển khí sinh học bước tiến quan trọng để tiến tới giải vấn đề thiếu chất đốt nông thôn Sử dụng Biogas chất đốt thu từ nguồn sinh vật dồi tự nhiên nguồn thay lớn cho nhiên liệu rắn than củi đốt mang lại thay đổi lịch sử chất đốt vùng nông thôn Đó sáng tạo kĩ thuật quan trọng khơng giải vấn đề chất đốt mà tiết kiệm lượng lớn than cho quốc gia Nó đóng vai trị to lớn việc kích thích sản xuất cơng nơng nghiệp cịn tạo mơi trường hơp tác nơng thơn Phát triển Biogas cịn giải số vấn đề nảy sinh khác thiếu chất đốt Rơm rạ để làm chất đốt đưa cánh đồng làm phân bón cải thiện đất trồng trọt cho phép đẩy mạnh thâm canh nông nghiệp, bã thải biogas cịn dùng làm thức ăn khơ cho gia súc Một lượng lớn lao động trước dùng để kiếm củi vận chuyển than đưa cào sản xuất nông nghiệp Việc giảm nhu cầu đun củi giảm nạn phá rừng tăng thêm diện tích rừng tiền để mua than nhiên liệu rắn khác tiết kiệm giảm nhẹ gánh nặng tài cho nơng dân Số lượng lớn than nhà nước cung cấp cho nông thôn chi phí khổng lồ vào việc vận chuyển tiết kiệm để đưa vào sản xuất công nghiệp Sau phát triển biogas người phụ nữ tham gia vào sản xuất nơng nghiệp nhiều sử dụng gas để bếp tiết kiệm nhiều thời gian củi, nhiệt mà gas sinh cháy cao, vào khoản 44.106J/kg, với củi khô 10.106J/kg Sử dụng biogas hiệu hình thức tiết kiệm điện tiền bạc Ngoài việc dùng để đun nấu Tiểu luận mơn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Biogas cịn dùng để thắp sáng, công suất loại đè đa dạng đáp ứng nhu cầu người Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Ngồi cịn dùng khí Biogas để chạy máy phát điện Để chuyển đổi động chạy từ xăng, dầu sang chạy khí biogas khơng tốn không phức tạp Động máy phát điện sau chuyển đổi động sử dụng đồng thời hai nhiên liệu biogas/diesel, biogas/xăng Với trang trại nuôi 50 heo, sử dụng máy phát điện cỡ nhỏ chạy liên tục 8h/ngày với khí biogas, tiết kiệm 24 triệu đồng tiền điện/năm Trong điều kiện áp suất bình thường, động chạy biogas biến 1m3 khí thành kWh điện, tiết kiệm 0,4 lít dầu diesel Trong đó, biogas thu hồi từ chất thải gần miễn phí, ngồi sử dụng cho máy phát điện, dùng cho đun nấu, dùng để kéo máy cày, chạy máy gặt, vận hành hệ thống tưới, thiết bị bảo quản nông sản… Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Kích thích sản xuất nông nghiệp: Phát triển Biogas đường quan trọng để kích thích sản xuất nơng nghiệp, Biogas làm tăng đáng kể số lượng chất lượng phân hữu cơ, phân người súc vật, rơm rạ thực vât, loại trở thành phân bón sau lên men qua phân hủy hầm biogas đậy khơng kín khơng khí Thay trước sau thu hoạch mang rơm nhà làm chất đốt rơm ủ trực tiếp ngồi đồng để làm phân bón mang ủ hầm biogas vừa lấy khí gas để sử dụng mà lại làm phân bón cho ruộng, bã thải biogas cịn dùng làm thức ăn khô cho gia súc, thành phần dinh dưỡng bã thải biogas tăng lên nhiều lần Thành phần Nito chúng chuyển thành amoniac dễ dàng hấp thụ trồng, cải thiện phân bón Theo kết nghiên cứu viện nơng nghiệp thành phần amoniac phân hữu ủ men 30 ngày hầm biogas tăng lên 19.3% thành phần photphat hữu ích tăng lên 31.8% Ủ kín phân hữu hầm biogas ngăn cảng bốc mát amoniac Phân ủ hầm biogas chứng tỏ làm tăng suất nông nghiệp Theo thực nghiệm, suất ngơ tăng 28%, lúa nước tăng 10%, lúa mì tăng 12.5%, bơng tăng 24.7% Nếu dùng nước thải từ hầm biogas để ngâm hạt gióng số lượng hạt giống nảy mầm tăng cao hẳng so với hạt giống không ngâm phân Các thân cây, loại cỏ dại mọc nước, chất thải khác vật liệu tốt cho sản suất biogas Người nông dân tích trữ vật liệu để đưa vào hầm biogas thời gian nào, làm tăng nguồn phân bón cho trồng Các chất hữu phân động vật, loại xanh sau phân hủy để sản xuất biogas lại trờ thành loại phân hữu giàu dinh dưỡng Các nguyên tố N,P,K nguyên liệu sau phân hủy không bị tổn thất mà lại chuyển hóa sang dạng phân mà trồng dễ hấp phụ Thí nghiệm cho thấy phân phân hủy thiết bị biogas so với phân lưu giữ bể chứa phân để hở có hàm lượng nito tổng số cao 14% hàm lượng nito amoni cao 19.4% Bã thải thiết bị phần lỏng phần đặc sử dụng để bón cho có suất tăng Khi bón loại phân trồng phát triển mạnh khỏe, sâu bệnh Tác dùng cải tạo đất loại phân Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang thể rõ sau 2-3 năm bón liên tiếp Cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi chất hữu phân hủy kỵ khí, phần quan trọng chuyển hóa thành axit amin trình tăng trưởng sinh khối vi khuẩn Chẳng hạn với phân trâu, nò người ta đo toàn axitamin tăng 230% sau phân hủy Ngoài lượng lớn B12 đáng kể tổng hợp trình phân hủy để sử dụng nguồn làm thức ăn cho gia súc, gia cầm người ta thường tiến hành lấy bã thải lến tiến hành sấy khơ, đóng thành bánh để giành cho gia súc, gia cầm sử dụng trực tiếp Nuôi thủy sản sử dụng bã thải làm thức ăn co cá chất dunh dưỡng kích thích phát triển lồi thực vật phù du lần động vật phù du nguồn thức ăn cho cá Do sản lượng cá tăng đáng kể Nguồn chất thải biogas thức ăn vô tốt cho việc nuôi giun hộ có ni giun Bảo vệ mơi trường: Đây vấn đề hiệu để giải vấn đề phân bón cải thiện mơi trường, tiêu chuẩn sức khỏe nơng thơn Nó biện pháp để thủ tiêu trứng sán, giun, loại kí sinh trùng khác sống loại phân Thu gom tất phân thải gia súc người vào hầm biogas cách giải vấn đề chất thải tốt Viện kí sinh trùng nhiều nước công bố rằng: sau ủ lên men, bã thải cịn trứng ký sinh trùng, giun sáng giảm bớt 95%, số lượng trứng giun sáng, giun ấu trùng gây hại giảm tới 99% Kiểm sốt hiệu bệnh kí sinh trùng giun sáng, vệ sinh nông thôn biến đổi tốt hơn, người làm nông nghiệp bảo vệ, tiêu chuẩn chung bảo vệ sức khỏe nâng lên rõ rệt, Ngồi nói thành phần khí sinh học phân hủy xác sinh vật nên có lượng lớn khí metan khoảng 50% lượng khí 30% cịn lại cacbonic nước, khí góp phần lớn vào việc gây hiệu ứng nhà kính Như việc gom xác động thực vật lại để phân hủy chỗ sử dụng khí metan cách góp phần giảm nguy hiệu ứng nhà kính Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang -Nước thải sau qua Biogas dùng để nuôi tảo, bèo làm thức ăn cho gia cầm -Nước thải nguồn phân bón tốt, hợp vệ sinh -Nước thải cịn nguồn thức ăn động vật thủy sinh Bảng 1.14: Hiệu xử lý phân hệ thống Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Nguồn:Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) Trích dẫn Nguyễn Hà Mỹ (2002) -Tạo lượng tốt để hạn chế phá rừng -Xử lý tốt mầm bệnh phân -Nước sau qua bình ủ Biogas kết hợp với mơ hình V.A.C.B Nhiệt độ biogas 4500 ÷ 6300 Kcal/m3, ước tính 1m3 biogas đủ để: - Chạy động ngựa - Cung cấp điện khoảng 1.25 KWH - Nấu ăn ngày buổi cho gia đình người - Thắp sáng vòng (tương đương đèn 60W) - Chạy tủ lạnh 1m3 10 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Các vi khuẩn tồn giai đoạn thuộc chủng loại vi khuẩn sống điều kiện vơ kỵ khí như: Giai đoạn 3: hình thành Metan Đây giai đoạn quan trọng giai đoạn hình thành khí Metan Dưới tác động vi khuẩn, axit hữu hợp chất khác chuyển thành khí metan, cacbonic… Các phản ứng hóa học: Cao phân tử → CO2 + H2 + CH3COO- + C2H5COOH + C3H8COOH 17 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- +Q 4H2 + HCO3-+ H2O→CH4+ H2O + Q Các phản ứng sinh hóa xảy chủ yếu q trình lên men yếm khí: Phương trình Năng lượng 4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O -136 TỪ FORMIATE 4HCOOH→ CH4 + 3HCO3- + 3H+ HCOOH → H2 + CO2 -130 TỪ AXETAT CH3COO- + H2O → CH4 + 3HCO3- -30 TỪ PROPONATE C2H5COO- + H2O → CH3COO- + 3H2 + CO2 C2H5COO- + 2H2O → 7/4 CH3COO- + 5/4 H2 + 3/2 CO2 +80 -53 Phương trình Năng lượng METHANOL 4CH3OH + H2O → CH3COO- +3H+ + H2O -314 ETHANOL C2H5OH + H2O → CH3COO- + 5H2+ CO2 + H+ C2H5OH + H2O → 3/2CH4 + 1/2CO2 + H2O +2 -96 TỪ PROPONATE C3H7OH +3H2O → CH3COO- + 5H2+ CO2 + H+ C3H7OH +3H2O → 9/4CH4+ 5/2H2O+ 3/4CO2 +84 -118 Các vi khuẩn tham gia: 18 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang V Các loại hầm Biogas: Hầm nạp theo mẻ: Loại hầm nguyên liệu nạp vào hầm theo kiểu mẻ mẻ trải qua thời gian phân hủy hết nạp vào thay mẻ nguyên liệu 19 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang 20 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Loại thường làm với nơi có nguồn nguyên liệu lớn, dồi thường tập trung hầm chủ yếu loại hầm dùng túi ủ loại lớn thường đào hầm ủ nguyên liệu rác thải nhà máy tinh bột Hay hợp tác xã dùng để xử lí lượng rác thải nông nghiệp, nguyên liệu nạp vào lần đậy kín nắp lại Loại khơng thích hợp cho hộ gia đình chăn ni có quy mơ nhỏ, dùng cho khu vực có nguồn nguyên liệu dồi Chi phí lắp đặt tương đối rẻ so với lợi nhuận mà mang lại thường loại hầm không xây mà đào mặt đất chúng yêu cầu tiết diện lớn phải xa khu dân cư để tránh vấn đề xảy ý muốn tai nạn rị rỉ khí gas hay mùi khó chịu Nhưng ngược lại loại xử lý lượng chất thải hữu vô to lớn lượng khí hầm sinh mạnh Hầm bán liên tục: a loại vòm cố định: Loại có cấu tạo gồm: Bể kín khí xây dựng vật liệu gạch, đá, betong Đỉnh hầm đáy có dạng bán cầu làm kín, khơng cho thấm khí ngồi cách trát mọt số lớp vữa bề mặt phía hầm Hầm thường cung cấp nguyên liệu theo kiểu bán liên tục, ngày vài ngày lần, khí sinh tăng lên tích lại vịm phía Áp suất khí lên vịm đạt tới 1-1,5m 21 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang áp lực nước, chất liệu cung cấp cho loại hầm thường phân chất thải nơng nghiệp Sản lượng khí sinh vào khoản 0.1-0.2 dung tích khối lượng dung tích tương đương ngày, thời gian ủ hầm 60 ngày nhiệt độ 250C Ưu điểm: - Không có phận làm thép, chủ yếu xi măng nên giá thành xây dựng hầm Biogas tương đối rẻ, xây dựng thiết kế kỹ thuật tương đối đơn giản dễ làm -Có thể xây hàm âm lịng đất để tốn diện tích đất nông nghiệp Nhược điểm: -Do hầm xi măng nên khơng thể đảm bảo kín tuyết đơi mà ln có lượng khí bị ngồi qua lỗ, lượng khí khơng nhiều góp phần làm giảm hiệu suất sinh gas hầm -Loại thường dễ bị nứt sau thời gian sử dụng xây không đạt yêu cầu - Phải thợ xây xây, người có tay nghề thấp khó làm thời gian khơng bền Do nhiều yếu tố làm móng khơng kĩ 22 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang lựa chọn vị trí làm khơng thích hợp nên sau thời gian hầm bị nứt khơng sử dụng -Áp suất khí phụ thuộc vào mực nước bể điều áp b.Loại nắp di động: Hầm loại phát triển mạnh Ấn Độ, có bề hình trụ, độ cao hầm so với đường kính hầ có tỉ lệ phạm vi 2,5-4,1 :1 , xây dựng gạch, betong, lưới thép Nguyên liệu đầu vào chủ yếu loại phân cung cấp bán liên tục lấy bã thải làm phân bón qua ống tháo với lượng lượng nguyên liệu đưa vào hầm Thời gian trì nguyên liệu hầm khoản 30 ngày khí hậu ẩm 50 ngày khí hậu lạnh Sử dụng phân chuồng với chất đặc, rắn 9% suất khí sinh chiếm 0.2-0.3 dung tích ứng với khối lượng nguyên liệu cho vào ngày cách tương đối ổn định Áp lực khí tùy thuộc vào thùng chứa khí đơn vị diện tích thay đổi phạm vi 4-8 cm áp lực nước 23 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Ưu điểm: -Độ chịu lực tốt, bền, sử dụng lâu -Ổng định áp suất hầm Nhược điểm: Nắp vịm thường làm thép có độ bền trung bình, giá thành cao, việc chống ăn mịn khó khăn nắp phải di động 24 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Hầm sinh khí kiểu túi: Hầm kiểu bao gồm ống trụ chất dẻo tổng hợp túi chất dẻo mềm phụ phẩm nhà máy sản xuất nhôm Kèm theo túi chất dẻo lắp thêm ống nạp chất liệu vào túi ống tháo bã phân ra, lắp ống lấy khí từ túi ngoài, ống nạp chất liệu đặt cho áp lực túi trì thấp 40cm áp lực nước Khí sinh ta tập trung túi dạng màng chất dẻo co dãn tốt theo áp suất lớn hay nhỏ Một hầm sinh khí kiểu túi cới dung tích 50m3 , cân nặng 270kg dễ dàng bố trí vào rãnh nơng Ngun liệu nạp vào túi với khối lượng lượng bã lấy cửa 25 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang tháo 26 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Thời gian để ủ chất liệu thay đổi tùy theo loại phân động vật từ 60 ngày 15-200C đến 30 ngày nhiệt độ 30-350C Hầm kiểu túi có thành tường đặc biệt mỏng, nhờ nhiệt độ mặt trời chiếu trực tiếp để tăng lượng nhiệt Sản lượng khí từ túi đạt 0.23-0.61 dung tích khí so với dung tích chất liệu nạp vào hàng ngày tùy thuộc vào điều kiện địa hương, dồi nguyên liệu nạp vào Nếu chất dẻo mang PVC không kiếm ta làm betong với màng tích khí mền dẻo đặt đỉnh bể chưa betong Ưu điểm: 27 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang -Do dùng chất liệu dẻo nên việc lắp đặt hệ thống vận hành không khó khăn -Chi phí thấp hẳn so với kiểu hầm khí loại khác -Do thành mỏng nên tăng suất mặt trời chiếu sáng, tăng hiệu suất phân hủy Nhược điểm: -Dễ bị hư hỏng việc sửa chữa có khó khăn vùng nông thôn hẻo lánh Thường bị thủng bị chuột cắn hay vật sắc nhọn đâm vào -Về mùa đơng phải có biện pháp ủ kín chống rét khơng hệ thống hoạt động khơng hiệu khơng có lớp cách nhiệt với mơi trường VI.Tổng kết Như ta thấy lợi ích từ hầm biogas mang lại lớn không công nhận nguồn lượng bước khắc phục tượng ô nhiễm môi trường, giải phần vấn đề nhiên liệu Như vậy, để giải vấn đề chất thải thiếu hụt lượng việc dùng cơng nghệ Biogas hướng giải tối ưu Loại hầm Biogas với công nghệ cải tiến, chi phí xây dựng phù hợp với hộ gia đình nơng thơn, có vốn đầu tư thấp, thiết kế đơn giản, phương pháp xây dựng phù hợp với tay nghề thợ xây địa phương, vật liệu để xây dựng đơn giản Công nghệ sinh học tiếp tục ngày phát triển để góp phần khắc phục trạng ô nhiễm môi trường ngày MỤC LỤC 28 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Lời mở đầu I Khái niệm biogas- khí sinh học: II.Lợi ich biogas mang lại: 1.Giải vấn đề chất đốt, lợi ích xã hội: Kích thích sản xuất nơng nghiệp: .7 3.Bảo vệ môi trường: .8 III.Nguồn nguyên liệu làm Biogas 11 IV.Q trình hình thành khí 14 1.Giai đoạn 1: thủy phân chất 15 2.Giai đoạn 2: hình thành axit hữu 15 3.Giai đoạn 3: hình thành Metan 17 V.Các loại hầm 19 1.Hầm nạp theo mẻ .19 2.Hầm bán liên tục 21 3.Hầm sinh khí kiểu túi 25 VI.Tổng kết 27 29 Tiểu luận môn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang Danh sách nhóm 30 Trần Thị Ngọc Linh Võ Thị Phụng Nguyễn Thị Phương Thảo Nguyễn Hồng Thiện Bùi Thị Thanh Thư Tiểu luận mơn học GVHD: Phan Thị Thùy Trang 31