ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96) 2015, QUYỂN 2 195 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BIOGAS THU ĐƯỢC TỪ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ,[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 195 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BIOGAS THU ĐƯỢC TỪ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ, MÔI TRUỜNG A STUDY OF USING BIOGAS PRODUCED FROM WASTE TREATMENT IN RANCHES TO GENERATE ELECTRICITY AND EVALUATING ITS ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL EFFICIENCY Phan Quí Trà1, Đào Xuân Hân2 Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; phanquitra@gmail.com Công ty Sanyo Minh Long; xuanhan43@gmail.com Tóm tắt - Bài báo nghiên cứu tính tốn, lắp đặt hệ thống thu hồi khí biogas sản xuất từ chất thải trang trại chăn nuôi để chạy máy phát điện Đồng thời so sánh kết đo đạc thực tế với tính tốn thiết kế hầm biogas Thực nghiệm cho thấy hiệu hầm biogas trang trại Hòa Phú đạt khoảng 68% so với điều kiện tối ưu Hầm tạo khoảng 607 m3/ngày, sử dụng để phát điện trung bình tạo lượng điện 653.2 kWh/ngày So với việc xả bỏ biogas trước tiết kiệm khoảng 24 triệu/tháng (chi phí điện 40-50 triệu/tháng) Hiệu xử lý nước thải trang trại tốt Chất lượng nước thải đạt xấp xỉ tiêu chuẩn nước thải cơng nghiệp Việt Nam Ngồi việc tận dụng biogas để phát điện theo tính tốn giảm bớt lượng phát thải CO2 vào khơng khí khoảng 192.4 tấn/năm Việc bán chứng phát thải mang lại lợi nhuận cho trang trại Abstract - The article studies,calculates and installs a system to recover biogas produced from waste in ranches to generate electricity It also compares actual measurements with design calculation of biogas cellar The survey shows that the effectiveness of biogas cellar of Hoa Phu ranch is approximately 68% compared with optimal conditions The cellar creates about 607 m3/day, which can generate 653.2 kWh/day if used for power generation on average Compared with exhausted biogas, this can save about 24 million VND/month (electricity costs about 40-50 million VND/month) The effectiveness of wastewater treatment of the ranch is quite good The quality of waste water complies or almost complies with the standards of industrial waste water of Vietnam In addition, the utilization of biogas for power generation as calculated can reduce CO2 emissions by 192.4 tons each year The sale of emission credits will also bring more profit for the ranch Từ khóa - Biogas; nước thải; xử lý nước thải; trang trại chăn nuôi; máy phát điện; môi trường; kinh tế Key words - Biogas; wastewater; wastewater treatment; ranch; generator; environment; economic Đặt vấn đề Việt Nam nước có nơng nghiệp phát triển mạnh Trong năm gần đây, ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm chuyển dịch cấu từ chăn ni nhỏ lẻ sang chăn ni trang trại, lượng chất thải tạo từ trang trại ngày nhiều, nguồn ô nhiễm môi trường lớn không xử lý Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng để xử lý chất thải chăn nuôi Việc xử lý chất thải chăn nuôi hầm Biogas nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Đây mơ hình mang lại lợi ích kép, vừa xử lý môi trường nguồn chất thải chăn nuôi, vừa đáp ứng nhu cầu lượng cần thiết, đồng thời tạo nguồn phân để trồng trọt làm thức ăn cho cá Trên sở nghiên cứu phương pháp sản xuất biogas, khảo sát thực tế trang trại chăn ni heo có sử dụng hầm biogas, đánh giá hiệu hầm biogas vào điều kiện cụ thể thực tế, báo đề xuất giải pháp sản xuất biogas phù hợp từ chất phế thải đơn vị chăn nuôi gia súc, gia cầm ứng dụng công nghệ vào đơn vị chăn nuôi thực tế trang trại chăn ni heo Hịa Phú, Hòa Vang, TP Đà Nẵng [1] dân cư, phù hợp mơ hình chăn ni kết hợp trồng rừng Đối tượng khảo sát: Hầm biogas xây gạch, bề mặt hầm phủ nhựa HDPE dày 1,5 mm, nước thải sau qua hầm biogas đưa qua hệ thống hồ sinh học trước thải vào mơi trường Kích thước hầm biogas 2500m3 1750m3 [2] Ta cần tính tốn, đánh giá nội dung sau: Xác định lượng chất thải đưa xuống hầm biogas Phân tích thành phần nước thải trước sau xử lý hầm biogas Tính lượng khí biogas sản xuất lượng điện tạo từ khí biogas Đánh giá hiệu hầm biogas hiệu sản xuất biogas hiệu xử lý môi trường Xác định lượng điện sản xuất trung bình theo ngày thơng qua máy phát điện chạy khí biogas Tính tốn hiệu kinh tế môi trường 2.2 Chất thải chăn nuôi Số lượng heo: Theo khảo sát, lượng heo thịt khu C: 4500 con, khu D: 2500 Nguồn phát sinh chất thải: Lượng phân thải heo thịt có trọng lượng trại Hòa Phú 2kg/con/ngày, đêm Khu C D nuôi tổng cộng 7000 lợn thịt Lượng phân thải bình quân ngày khu C D khoảng 14.000 kg chất thải/ngày Ước tính lượng biogas sinh khu C, D lên tới 560 - 840 m3/ngày Nội dung nghiên cứu 2.1 Địa điểm, đối tượng khảo sát nội dung nghiên cứu Địa điểm: Nghiên cứu thực trang trại chăn ni heo Hịa Phú xây dựng xã Hịa phú, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Đây vùng đất đồi khơ cằn, khó đầu tư trồng trọt, hiệu xuất canh tác thấp, cách xa khu Bảng Lượng biogas ước tính thu TT Khu vực trang trại Khu C Lượng Heo 4500 Lượng khí thu (m3 /ngày đêm) 360-540 196 Phan Quí Trà, Đào Xuân Hân Khu D 2500 200-300 Quy trình xử lý hầm biogas: Hình Hầm biogas trang trại Hịa Phú TP Đà Nẵng Hình Quy trình xử lý chất thải hầm biogas Lượng nước thải xử lý: Theo số liệu đo đồng hồ nước, lượng nước trung bình cấp cho heo uống để vệ sinh chuồng trại khu C: 120 m3/ngày, khu D: 70 m3/ngày Thông số kĩ thuật bể xử lý khu C D: Bảng Thông số kĩ thuật bể xử lý trại Hịa Phú Stt Tên bể xử lý Dung tích Hố lắng cát Khu C (m3) 1,5 Hầm biogas 2500 Ghi Khu D (m3) 1,5 Xây gạch thẻ 1750 Xây đá Đáy bê tông Hồ tùy nghi 500 500 Hồ hiếu khí 2000 5000 Bể chứa sau qua hồ sinh học 256 35 Bể lọc 35 16 Đào đất phủ nylon đáy xung quanh hồ Đào đất phủ nylon xung quanh thành đáy bể Trồng rau muống bèo Xây gạch tô xi măng cao (trên đồi) Xây bể bỏ lớp vật liệu lọc cát sỏi Cấu tạo hầm biogas: Bảng Thông số kỹ thuật hầm biogas khu C Chiều ngang Tên gọi Thông số hầm ủ 14,5 m Chiều dài Chiều cao Thể tích chứa nước Thể tích chứa gas Tổng thể tích hầm chứa Lượng nước bình qn nạp vào Lượng phân bình quân nạp vào 38 m 4,6 m 1500 m3 1034 m3 2534 m3 120.000 l/ngày 9000 kg/ngày Bảng Thông số kỹ thuật hầm biogas khu D Tên gọi Hình Sơ đồ nguyên lý hầm biogas phủ bạt trại Hòa Phú Kết nghiên cứu 3.1 Đánh giá kỹ thuật, kinh tế Lượng khí tạo từ q trình xử lý hầm biogas thực tế trang trại thể qua Bảng Bảng Biogas tạo từ Hầm biogas khu C 2500m3 Tt Chỉ tiêu Nhiệt độ Độ ẩm Số lượng phân đưa xuống hầm biogas Số lượng nước thải đưa xuống hầm biogas Thể tích hầm Lượng khí gas tạo sau 24h Đơn vị 0C % Kết 28 82,5 kg/ngày 9000 m3/ngày 120 m3 m3 2500 360 Bảng Biogas tạo từ Hầm biogas khu D 1750m3 Tt Thông số hầm ủ 28,5 m Chiều ngang Chiều dài Chiều cao Thể tích chứa nước Thể tích chứa gas Tổng thể tích hầm chứa Lượng nước bình quân nạp vào Lượng phân bình quân nạp vào 13,5 m 4,6 m 1050 m3 719,8 m3 1769 m3 70.000 l/ngày 5000 kg/ngày Chỉ tiêu Nhiệt độ Độ ẩm Số lượng phân đưa xuống hầm biogas Số lượng nước thải đưa xuống hầm biogas Thể tích hầm Lượng khí gas tạo sau 24h Đơn vị 0C % Kết 28 82,5 kg/ngày 5000 m3/ngày 70 m3 m3 1750 247,5 Lượng biogas phần nhỏ sử dụng để đun nấu, phần lớn dùng để chạy máy phát điện Hiện tại, trang trại chạy máy phát điện có cơng suất 60 kVA 80 kVA Máy 60kVA chạy cho khu D, ngày chạy khoảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 5-6h, chạy hết khoảng 45m Vậy lượng tiêu thụ ngày khu D khoảng 225 m3 - 270 m3, trung bình khoảng 247,5m3 Máy 80kVA chạy cho khu C, ngày chạy khoảng 5,5-6,5h, chạy khoảng 60m3 biogas Lượng biogas tiêu thụ khoảng 330m3- 390m3, trung bình 360m3 Tổng lượng biogas khu C khu D khoảng 607,5 m3 ngày Như lượng biogas sinh tính theo thể tích hầm 0,14 lít gas/ lít hầm Thành phần biogas thực tế: Thành phần biogas chủ yếu loại khí CH4 CO2, ngồi cịn số loại khí khác H2S,NH3 Chúng sử dụng máy đo khí GFM 435 để xác định thành phần biosgas Máy đo đặt vị trí trước vào máy phát điện, sau qua thiết bị lọc Kết phân tích thành phần biogas trang trại Hình 197 Bảng Chuyển hố biogas thành điện Stt Chỉ tiêu Lượng khí biogas sinh (m3/ngày) Lượng khí biogas tạo kw điện (m3) Số kw điện tạo ngày (kWh) Đơn vị Kết (m3/ngày) 607,5 (m3) 0,93 (kWh) 653,2 Hình Động 60 kVA trang trại Hịa Phú 3.2 Đánh giá xử lý môi truờng Thông số nước thải trước xử lý hầm biogas: Mẫu nước thải lấy trước đưa vào hầm biogas khu C Kết phân tích Trung tâm Công nghệ sinh học Ứng dụng khoa học công nghệ Đà Nẵng thực Hình Biểu đồ thành phần Biogas trại heo Hòa Phú Tỷ lệ CH4 cao so với số trang trại tương tự, nhiên thấp so với trại heo Nhơn Sơn, Tp Đà Nẵng (đạt tới 70,7%) Đánh giá hiệu suất thực tế hầm biogas: Theo lý thuyết, 1m3 nguyên liệu (phân nước thải) bể biogas sinh khoảng 0,45m3 khí biogas ngày [2, 3] Tổng lượng chất thải hầm biogas 2550m3, theo lý thuyết lượng biogas sinh 1147m3 ngày Thực tế, ngày thu khoảng 607,5m3 biogas Như hiệu sinh gas đạt khoảng 53% so với lý thuyết Hiệu suất sinh khí tối ưu chất thải lợn theo phương pháp nạp liên tục 63 lít/kg chất thải [3] Như lượng chất thải sinh ra: 882m3 Do đó, hầm đạt 68,9% so với lý thuyết Vì vậy, ta cần có thêm số giải pháp để nâng cao hiệu suất sinh biogas Bảng Hiệu suất hầm biogas trại Hòa Phú Tt Chỉ tiêu Gas sinh theo thể tích (lít gas/kg chất thải) Gas sinh theo thể tích (lít gas/chất thải lưu hầm) Lý Trại hòa Hiệu suất thực tế thuyết phú thực tế so với lý thuyết 63 0,45 607,5/1400 =39,3 607.5/2550 =0,22 Bảng Kết phân tích nước thải trước xứ lý Chỉ tiêu Đơn vị Kết PH TSS MÀU BOD COD CU PB ZN CD P ( tổng ) N ( tổng ) S2 NH3 COLIFORM ECOLI (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) MPN/100ml MPN/100ml 7,0 310 620 1820 3000 KPH 0,007 0,028 KPH 25 433 4,275 8,9 85 Thông số nước thải sau trình xử lý hầm biogas: Bảng 10 Kết phân tích thơng số nước thải sau xử lý hầm biogas 68,9% 53% Luợng điện sinh ra: Lượngbiogas để tạo kWh điện trung bình 0,93m3 góp phần giảm 1kg CO2 thải vào khí [4] QCVN24:200 9/BTNMT 5,5 – 100 50 100 0,5 0,01 30 0,5 10 5000 - Chỉ tiêu Đơn vị Kết PH TSS MÀU BOD COD (mg/l) (mg/l) (mg/l) 6,9 12 88 132 QCVN24:2009 /BTNMT 5,5 – 100 50 100 198 Phan Quí Trà, Đào Xuân Hân CU PB ZN CD P(tổng ) N( tổng ) S2 NH3 COLIFORM ECOLI (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) MPN/100ml MPN/100ml 0,12 0,023 0,13 KPH 1,63 42,6 0,937 0,45 93000 0,5 0,01 30 0,5 10 5000 - Ghi chú: - KPH : không phát hiện; - QCVN 24:2009/BTNMT: quy chuẩn quốc gia nước thải; - Thời tiết lúc lấy mẫu: trời nắng nóng Hình Mẫu nuớc thải truớc sau qua hầm Biogas Hình Biểu đồ so sánh số BOD COD mẫu nuớc thải truớc sau qua hầm Biogas Kết phân tích truớc xử lý cho thấy hầu hết tiêu quan trọng không đạt tiêu chuẩn cho phép để thải môi trường như: TSS vượt 3,1 lần; hàm lượng COD vượt 30 lần; BOD vượt 36,4 lần; N vượt 14,43 lần; Sunfua vượt 8,55 lần Nguồn nước thải cần xử lý trước thoát vào nguồn tiếp nhận Kết sau xử lý hầm Biogas cho thấy: Hiệu xử lý môi trường hầm biogas trại heo Hòa Phú tốt Kết sau qua hầm biogas số tiêu đáp ứng tiêu nước thải công nghiệp theo tiêu chuẩn Việt Nam, PH,TSS, hàm lượng kim loại Cu,Pb,Zn,Cd,NH3 Vẫn số tiêu chưa đạt tiêu chuẩn môi trường BOD5, vượt 1,76 lần, COD vượt 1,32 lần, N vượt 1,42 lần Mặc dù số tiêu chưa đạt, chất lượng cải thiện nhiều, lượng nước thải tiếp tục đưa qua hệ thống hồ sinh học, hồ tùy nghi Kết Luận 4.1 Hiệu kinh tế Tổng thể tích hầm biogas 4250m3, có túi ni lơng đáy, xây bê tông lát gạch, giá thành đầu tư 1,2 triệu/m3, chi phí xây dựng khoảng 5,1 tỷ đồng Máy phát điện 60kVA: 175.000.000 VND, 80kVA: 205.000.000 VND Tổng mức đầu tư gần 5,4 tỷ VND Khi chạy dầu diesel, máy phát điện 60 80 tiêu thụ khoảng 42 lít dầu/h [1, 4] Mỗi ngày, máy 60kVA chạy 5,5h 80kVA, chạy 6h, lượng dầu tiêu thụ khoảng 243 lít Với giá dầu diesel 21.400 VND/l Nếu động chạy 25 ngày tháng trang trại tiết kiệm khoảng 5,2 triệu đồng tiền nhiên liệu ngày, tương ứng 130 triệu đồng tháng Như vậy, trang trại thu hồi vốn đầu tư toàn hệ thống sau khoảng 3,5 năm 4.2 Hiệu môi trường Chất lượng nước thải sau qua hầm biogas cải thiện nhiều, hầu hết đạt tiêu Ngoài ra, việc sử dụng biogas để chạy máy phát điện góp phần làm giảm lượng phát thải CO2 Theo lý thuyết đốt cháy lít dầu phát thải 2,64 kg CO2 Như vậy, với hai máy phát trang trại giảm 192 CO2 năm Với kết tính tốn thực nghiệm xử lý nước thải hầm biogas, đồng thời tận dụng chạy máy phát điện trang trại Hoà Phú đem lại kết tốt mặt kinh tế, kỹ thuật lẫn môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Vang, Đào Xuân Hân, Nghiên cứu công nghệ sản xuất biogas từ chất phế thải đơn vị chăn nuôi gia súc gia cầm, Đại học Đà Nẵng, 2013 [2] Bùi Xuân An, Nghiên cứu Kỹ thuật túi biogas polyethylene cho nông nghiệp phát triển nông thôn của, Đại học Nông lâm, TP.HCM, 2003 [3] Nguyễn Quang Khải, Thiết bị khí sinh học KT31, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, 2009 [4] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hồn Thiện, Lê Minh Tiến,“Biogas Supplying System for Small Power Engine”, National Conference on Fluid Mechanics, Hue, 21-23 July, 2007 (BBT nhận bài: 06/07/2015, phản biện xong: 30/07/2015) ... 70,7%) Đánh giá hiệu suất thực tế hầm biogas: Theo lý thuyết, 1m3 nguyên liệu (phân nước thải) bể biogas sinh khoảng 0,45m3 khí biogas ngày [2, 3] Tổng lượng chất thải hầm biogas 2550m3, theo lý thuyết... biogas phủ bạt trại Hòa Phú Kết nghiên cứu 3.1 Đánh giá kỹ thu? ??t, kinh tế Lượng khí tạo từ q trình xử lý hầm biogas thực tế trang trại thể qua Bảng Bảng Biogas tạo từ Hầm biogas khu C 2500m3 Tt Chỉ... kw điện tạo ngày (kWh) Đơn vị Kết (m3/ngày) 607,5 (m3) 0,93 (kWh) 653,2 Hình Động 60 kVA trang trại Hòa Phú 3.2 Đánh giá xử lý môi truờng Thông số nước thải trước xử lý hầm biogas: Mẫu nước thải