Chương 127 Khí sinh học Chương biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Nguyên lý hình thành khí sinh học o Tình hình phát triển khí sinh học Việt Nam o Cấu tạo hầm khí sinh học o Một số ứng dụng khí sinh học Câu hỏi chương 5: Khí sinh học gì?Ngun lý hình thành khí sinh học? Tình hình phát triển khí sinh học Việt Nam? Một số ứng dụng khí sinh học? ThS Nguyễn Bá Thành Chương 128 Khí sinh học Chương Khí sinh học 6.1 Ngun lý sinh học hình thành biogas 6.1.1 Khái niệm khí sinh học (KSH) Biogas hay cịn gọi khí sinh học (KSH), hỗn hợp khí sản sinh từ sữ phân huỷ chất hữu tác động vi khuẩn mơi trường yếm khí Trong thành phần chủ yếu khí mêtan (CH4) Khí đốt thiên nhiên có chất KSH Khí hình thành qua nhiều thời kỳ địa chất nên có hàm lượng mê tan cao, thường 90% Hình 6.1 Mơ hình tạo KSH Khí sinh học sử dụng để: nấu nướng, thắp sáng, sưởi ấm, phát điện 6.1.2 Nguyên lý hình thành khí sinh học Để sản xuất khí sinh học, người ta xây dựng chế tạo thiết bị KSH Nguyên liệu để sản xuất KSH chất hữu phân động vật, loại thực vật bèo, cỏ, rơm rạ Nguyên liệu nạp vào thiết bị KSH Thiết bị giữ kín khơng cho khơng khí lọt vào nên ngun liệu bị phân huỷ kỵ khí tạo KSH (H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… CH4 sản phẩm khí chủ yếu (nên cịn gọi q trình lên men tạo Metan) Việc nạp nguyên liệu thực theo cách chủ yếu sau: Nạp mẻ: toàn nguyên liệu nạp đầy vào thiết bị lần Mẻ nguyên liệu phân huỷ dần cho khí sử dụng Sau thời gian đủ để nguyên liệu phân huỷ gần hết, toàn nguyên liệu lấy thay mẻ nguyên liệu mới, thời gian mẻ thường kéo dài từ – tháng ThS Nguyễn Bá Thành Chương 129 Khí sinh học Nạp liên tục: nguyên liệu nạp đầy lúc đưa thiết bị vào hoạt động Sau thời gian ngắn, nguyên liệu bổ sungthường xuyên Khi phần nguyên liệu phân huỷ lấy để nhường chỗ cho phần nguyên liệu nạp vào Trong trình phân huỷ, phần ngun liệu chuyển hố thành KSH, phần cịn lại lấy với nước pha loãng gọi bã thải 6.2 Tình hình phát triển cơng nghệ khí sinh học Việt Nam Cơng nghệ KSH nghiên cứu ứng dụng Việt Nam từ năm đầu thập niên 60 Đặc biệt sau năm 1975 chương trình quốc gia lượng tái tạo (Chương trình 52C) đời góp phần thúc đẩy phong trào nghiên cứu ứng dụng công nghệ KSH Công tác nghiên cứu tập trung vào thiết kế thiết bị KSH quy mơ gia đình với thể tích từ – 50m3 Kết đề tài giai đoạn đưa nhiều mẫu thiết bị quan trọng ứng dụng rộng rãi người dân chấp nhận mẫu thiết bị nắp cố định NL-3 Viện Năng lượng, mẫu thiết bị nắp quy mô 100m Sở KHCN Đồng Nai, mẫu thiết bị nắp cố định Đại học Cần Thơ, … Công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ KSH phát triển mạnh từ sau năm 1995 Các quan tham gia vào hoạt động nghiên cứu triển khai công nghệ KSH Viện Năng lượng, Viện Chăn ni, Viện Nơng hố – thổ nhưỡng, Trung tâm nghiên cứu Năng lượng, trường ĐH Bách khoa Hà nội, ĐH Khoa học tự nhiên, Viện Nghiên cứu Mỏ, ĐH Bách khoa Đà Nẵng, ĐH Nông lâm TP HCM, ĐH Cần Thơ, sở KHCN tỉnh, Trung tâm Khuyến nông Quốc gia…Các dự án lớn giai đoạn bao gồm: Dự án “Ứng dụng KSH bếp cải tiến tiết kiệm lượng” tài trợ quỹ mơi trường tồn cầu (GEF) huyện Bình Sơn tỉnh Quảng Ngãi (2001-2003), mục tiêu dự án xây dựng thiết bị KSH bếp đun cải tiến Quảng Ngãi để tiết kiệm lượng, củi gỗ bảo vệ môi trường; Dự án “Phát triển KSH giảm hiệu ứng nhà kính” xã Phù huyện Gia Lâm -Hà nội (2000) tài trợ Trung tâm lượng mặt trời Úc với mục tiêu xây dựng 100 cơng trình KSH xử lý chất thải chăn nuôi bảo vệ môi trường giảm hiệu ứng nhà kính chất thải chăn ni gây ra; ThS Nguyễn Bá Thành Chương 130 Khí sinh học Dự án phát triển bếp đun cải tiến bếp KSH nhằm tiết kiệm lượng bảo vệ mơi trường huyện Gia Viễn tỉnh Ninh Bình Các hộ dân trợ giá triệu cho công trình đồng thời vay khoản từ 2-3 triệu đồng với lãi suất thấp để xây dựng cơng trình Dự án “Phát triển Năng lượng tái tạo cho tỉnh Bắc Trung Bộ” Tổ chức Phát triển Hà Lan (2001-2003) dự án lắp đặt pin mặt trời, thuỷ điện nhỏ động gió phát điện cho xã khơng có điện lưới ba tỉnh Thừa Thiên – Huế, Quảng Bình Quảng Trị, đồng thời lắp đặt cơng trình KSH phục vụ đun nấu thắp sáng để tiết kiệm điện tỉnh nêu trên; Dự án nước vệ sinh môi trường cho tỉnh Hà Tây (1999-2003) dự án trình diễn việc kết hợp lắp đặt hệ thống KSH với cải tạo hệ thống chuồng trại, nhà tắm, nhà vệ sinh cho cộng đồng nông thôn với hỗ trợ ngân sách nhà nước ngân sách địa phương Trong giai đoạn năm chương trình tồn tỉnh xây dựng 7000 cơng trình huyện Đan Phượng huyện có số lượng cơng trình lớn tỉnh với 3650 cơng trình Phân loại cơng trình KSH huyện Đan Phượng bảng 6.1 Bảng 6.1 Số lượng cơng trình KSH xây dựng Đan Phượng Dự án “Chương trình KSH Quảng Ngãi” tổ chức Plan tài trợ (2005-2006) Mục tiêu chương trình hỗ trợ xây dựng 76 cơng trình hai xã Nghĩa Điền Nghĩa Mỹ để bảo vệ môi trường cung cấp chất đốt Công nghệ ứng dụng thiết bị KSH ThS Nguyễn Bá Thành Chương 131 Khí sinh học nắp cố định vịm cầu Viện Năng lượng (kiểu NL-5 NL-6) Trong pha I dự án chủ yếu triển khai cơng trình tích 3-5m3 Hình 6.2 - Loại hình áp dụng cơng nghệ tỷ lệ hỗ trợ đầu tư Hình 6.3 So sánh tình hình hoạt động cơng trình ngồi dự án Dự án bảo vệ vùng đệm rừng quốc gia Ba Vì (tổ chức CARE – 2004-2006) Dự án triển khai Ba Vì, Hà Tây Tân Lạc Hồ Bình Trong hai năm dự án xây dựng 200 cơng trình cho hai huyện để sử dụng KSH làm nhiên liệu đun ThS Nguyễn Bá Thành Chương 132 Khí sinh học nấu giảm chặt gỗ củi từ rừng quốc gia Công nghệ áp dụng dự án thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu kiểu Viện Năng lượng (NL5 KT1) Dự án bảo vệ vùng đệm quốc gia Tam Đảo (2005), triển tỉnh Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Thái Nguyên Yên Bái Sau năm dự án xây dựng 100 cơng trình - Dự án “Phát triển khí sinh học Ngọc Khê Phong Nậm, huyện Trùng Khánh, Cao Bằng tổ chức Bảo tồn loài Linh Chưởng FFI thực (2004-2006) Dự án xây dựng 25 cơng trình KSH với mục tiêu cung cấp KSH thay củi gỗ đun nấu cho bà dân tộc người, giảm áp lực việc thiếu hụt nhiên liệu sinh hoạt khu vực bảo vệ rừng Quốc gia cho vấn đề bảo tồn sinh thái môi trường Công nghệ áp dụng dự án kiểu KT1 - “Dự án hỗ trợ chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt nam” pha I (2003-2005) tài trợ phủ Hà Lan Dự án triển khai 12 tỉnh với mục tiêu xây dựng 12.000 cơng trình Cơng nghệ áp dụng dự án thiết bị nắp cố định vòm cầu kiểu KT1 KT2 Thực tế giai đoạn I dự án xây dựng 18.000 cơng trình Năm 2006 dự án mở rộng phạm vi hoạt động lên 20 tỉnh xây dựng 9600 cơng trình nâng tổng số cơng trình xây dựng lên 27600 Đến cuối 2007 dự án xây dựng tổng cộng 43.000 cơng trình Hình 6.4 Tình hình hoạt động cơng trình thuộc dự khí sinh học cho ngành chăn ni Việt Nam ThS Nguyễn Bá Thành Chương 133 Khí sinh học Tóm lại cơng nghệ cơng trình KSH quy mô nhỏ kiểu NL5, NL6, kiểu Cần Thơ, KT1, KT2 hay thiết bị KSH nắp ….đã ứng dụng diện rộng người dân thừa nhận đạt hiệu Năm 2003 Bộ Nông nghiệp PT Nông thôn ban hành 10TCN thiết bị KSH nhỏ, sở công nghệ KSH quy mô nhỏ phát triển bền vững nhân rộng Việt Nam Sau 10 năm phát triển (1995-2005) đến cuối năm 2006 toàn quốc xây dựng khoảng 100.000 cơng trình loại, chiếm nhiều kiểu thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu Viện Năng lượng (70%), sau đến loại thiết bị túi chất dẻo theo mẫu dự án SAREC Hội Làm vườn Việt nam (VACVINA) triển khai phía Bắc ĐH Nơng lâm TP HCM triển khai phía Nam Các cơng trình tích 10m3 chiếm khoảng 80% phổ biến tỉnh phía Nam, tỉnh phía Bắc tỷ lệ vào khoảng 6070% Tỉnh có số lượng cơng trình nhiều Hà Tây, Tiền Giang, Đắc Lắc, Đồng Nai, Hải Dương,v.v KSH chủ yếu sử dụng để đun nấu thắp sáng đèn mạng Khoảng 2% số hộ có cơng trình KSH sử dụng cho đun nước nóng khoảng 1% cho sử dụng sản xuất Việc sử dụng KSH phát điện ứng dụng lẻ tẻ năm gần hộ chăn nuôi từ 15-20 lợn trở lên Viện Năng lượng, Đại học Bách Khoa Hà Nội (phối hợp với phân viện kỹ thuật cơng binh phịng robot CAPIT – Bộ Quốc phịng), Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh ĐH Đà Nẵng quan nghiên cứu thành cơng loại máy phát điện chạy khí sinh học quy mô nhỏ từ 0,5 – 10kW Các đơn vị triển khai lắp đặt chủ yếu công ty tư nhân, nhóm thợ xây kỹ thuật viên tỉnh, huyện Các nghiên cứu trọng vào việc cải tạo động chạy xăng diezel có sẵn thị trường sang chạy khí sinh học chưa sản xuất loại máy chạy khí sinh học trực tiếp Ưu điểm loại động cải tạo giá thành vừa phải, công tác cải tạo lắp đặt không phức tạp, người sử dụng quen thuộc với cách sử dụng loại động từ trước; nhược điểm loại máy khơng có phận lọc khí, chất lượng máy phụ thuộc chặt chẽ vào tay nghề thợ kỹ thuật, bảo hành dịch vụ sau lắp đặt chưa tốt Hiệu suất loại máy không cao (50-60%), phải sử dụng túi ThS Nguyễn Bá Thành Chương 134 Khí sinh học chứa khí để ổn định áp suất khí chạy máy Chưa có dự án thuộc loại triển khai Việt Nam Đại học Đà Nẵng hợp tác với quỹ TOYOTA dự kiến thiết kế dự án triển khai công nghệ Miền Trung Tây Nguyên với mục tiêu sản xuất lắp đặt khoảng 1000 mơ hình từ 2009-2010 Những hạn chế triển khai loại máy phát điện chạy KSH chủ yếu nguyên nhân sau: o Chi phí cao dùng máy mới, dùng loại động cũ để cải tạo chất lượng máy kém, hiệu suất thấp; o Chất lượng đội ngũ kỹ thuật viên tuyến huyện, tỉnh chưa đồng không đào tạo mà chủ yếu tự tìm hiểu dựa vào kinh nghiệm thân; o Người sử dụng không đào tạo hướng dẫn thao tác vận hành bảo dưỡng sửa chữa nhỏ có cố, thợ kỹ thuật xa máy hỏng hóc phải chờ đợi chi phí cho công tác tăng lên; o Công tác tuyên truyền tiếp thị chưa tốt, chưa chuyên nghiệp mô hình trình diễn chưa phát huy tác dụng mong muốn 6.3 Cấu tạo hầm khí sinh học Trong thực tế hầu hết thiết bị KSH áp dụng dạng thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung thường xuyên hàng ngày Các thiết bị có phận sau: Bộ phận phân huỷ: nơi chứa nguyên liệu đảm bảo điều kiện thuận lợi cho trình phần Hình 6.5 Cấu tạo thiết bị KSH huỷ kỵ khí sinh Đây phận chủ yếu thiết bị ThS Nguyễn Bá Thành Chương 135 Khí sinh học Bộ phận chứa khí: khí sinh từ phận phân huỷ thu chứa Yêu cầu phận chứa khí phải kín khí Lối vào: Là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào phận phân huỷ Lối ra: Nguyên liệu sau phân huỷ lấy qua để nhường chổ cho nguyên liệu bổ sung vào Lối lấy khí: khí trích từ tích khí tới nơi sử dụng qua lối lấy khí 6.4 Thiết kế hầm biogas quy mơ nhỏ o Lựa chọn loại hầm thích hợp: Việc lựa chọn hầm tùy thuộc vào điều kiện khu vực xây dựng hầm (loại đất, loại đá,… ) o Quy mô hầm: Tùy thuộc vào yêu cầu, điều kiện người xây dựng, lượng ngun liệu cung cấp có phong phú hay khơng o Lựa chọn móng: tùy vào khí hậu, đất, nước ngầm o Dung tích hầm: dựa vào lượng khí cần cho việc tiêu thụ khí dùng Đảm bảo 1,5-2m3 / người o Tính tốn – Thiết kế Ngồi ra, thiết kế cịn phải ý đến yếu tố sau ảnh hưởng đến q trình lên men sau: • Nhiệt độ • Độ pH • Tỷ lệ Carbon / Nitơ • Tỷ lệ pha lỗng • Đặc tính ngun liệu • Tốc độ bổ sung ngun liệu • Có mặt khơng khí độc tố ThS Nguyễn Bá Thành Chương 136 Khí sinh học Ví dụ : Lựa chọn cỡ cơng trình KT2 cho gia đình Bình Định thường xuyên nuôi lợn nái 200 kg/con 10 lợn thịt (giữ lợn lại để ni) Lợn nái trung bình đẻ lứa 10 Trọng lượng lợn xuất chuồng trung bình 20kg/con Trọng lượng lợn thịt xuất chuồng trung bình 70kg/con Chuồng lợn lát gạch có rãnh thu nước tiểu phân để nạp Tỷ lệ pha loãng 1/1 Biết lượng chất thải lợn theo % khối lượng thể 5% Giải: Lượng chất thải nạp hàng ngày: (phân + nước tiểu) Từ nái: 200 × 5% × = 20 kg/ngày Từ 10 lợn con: 20 × 5% × 10 = 10 kg/ngày Từ 10 lợn thịt: 70 × 5% × 15 = 35 kg/ngày Tổng: = 65 kg/ngày Tra bảng 4c tiêu chuẩn -> chọn cỡ 7,6m3 tương ứng với lượng chất thải nạp hàng ngày 75 kg/ngày (> 65 kg/ngày) tỷ lệ pha loãng 1/1 6.5 Các ứng dụng biogas • Bếp sử dụng biogas • Máy phát điện chạy biogas • Đèn sử dụng khí biogas ThS Nguyễn Bá Thành