Luận văn thạc sĩ Quản lý môi trường: Nghiên cứu đề xuất mô hình kết hợp Biogas và lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang

TÓM TẮT Việc kết hợp rác thải sinh hoạt và phân heo làm nguyên liệu ủ kị khí và sử dụng khí biogas thu được để đốt cấp nhiệt cho các lò gạch truyền thống là một dự án hữu ích giúp giải q

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ VÂN HÀ

TS PHẠM THỊ MAI THẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS BÙI XUÂN AN Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS TRƯƠNG THANH CẢNH Luận văn thạc sĩ này được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 03 tháng 08 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm

1.PGS.TS PHÙNG CHÍ SỸ (Chủ tịch Hội đồng) 2.PGS.TS NGUYỄN THỊ VÂN HÀ

3 PGS.TS BÙI XUÂN AN 4 PGS.TS TRƯƠNG THANH CẢNH 5.TS HÀ DƯƠNG XUÂN BẢO

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG

Quá trình đào tạo :

- 10/20053 – 5/2010: Học ngành Kỹ thuật Môi trường - Khoa Môi Trường - Trường

Đại Học Bách Khoa TP.HCM - 12/2010 – 6/2012: Học cao học ngành Quản lí Môi trường - Khoa Môi Trường -

Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Quá trình làm việc :

- 4/2012 – nay: Nhân viên Phòng thí nghiệm Công nghệ môi trường – Viện Môi trường và Tài nguyên TP HCM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, Luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Nội dung Luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web trong và ngoài nước theo danh mục tải liệu tham khảo của Luận văn

Tác giả Luận văn

Nguyễn Hữu Khiêm

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy, Cô khoa Môi trường trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt tôi tận tình, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập chương trình đào tạo sau đại học

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Nguyễn Thị Vân Hà và TS Phạm Thị Mai Thảo cùng công tác tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Tp Hồ Chí Minh đã đồng hướng dẫn Luận văn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình

Tôi xin cảm ơn gia đình tôi, chỗ dựa vững chắc cuộc đời tôi, luôn tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi học tập trong suốt thời gian dài

Ngoài ra tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những đồng nghiệp cùng công tác với tôi tại Viện Môi trường và Tài nguyên Tp Hồ Chí Minh, những người đã gắn bó và tạo mọi điều kiện giúp tp6i hoàn thành tốt Luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, 06/2012

Nguyễn Hữu Khiêm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN HỮU KHIÊM Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 03/10/1987 Nơi sinh : TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Quản lí Môi trường

1- TÊN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu đề xuất mô hình sử dụng năng lượng tái tạo cho lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Khảo sát đánh giá hiện trạng hoạt động của các mô hình lò gạch tại An Giang Khảo sát đánh giá hiện trạng chăn nuôi heo và quản lí chất thải rắn sinh hoạt tại An Giang

Xây dựng thí nghiệm ủ kị khí với nguyên liệu kết hợp từ phân heo và rác thải sinh hoạt quy mô phòng thí nghiệm

Đề xuất các giải pháp để triển khai áp dụng mô hình kết hợp biogas và lò gạch

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Phạm Thị Mai Thảo Đồng hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Vân Hà

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Phạm Thị Mai Thảo Nguyễn Thị Vân Hà

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4

6 Ý nghĩa của đề tài 4

6.1 Ý nghĩa khoa học 4

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

6.3 Tính mới của đề tài 4

Chương 1 TỔNG QUAN KHÍ SINH HỌC 5

1.1 Khí sinh học 5

1.1.1 Định nghĩa 5

1.1.2 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống ủ kị khí 6

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ biogas 9

1.2 Lưu trữ và làm tinh khiết biogas 11

1.2.1 Túi chứa khí 11

1.2.2 Làm sạch biogas 12

1.3 Công nghệ sản xuất khí sinh học 13

1.3.1 Công nghệ sản xuất khí sinh học 13

1.3.2 Một số nghiên cứu về khả năng sản sinh biogas từ nguyên liệu kết hợp 14

1.3.3 Tình hình sản xuất khí sinh học ở Việt Nam và một số nước trên thế giới 16

Chương 2 HIỆN TRẠNG NGÀNH CHĂN NUÔI VÀ SẢN XUẤT GẠCH NUNG TỈNH AN GIANG 22

2.1 Điều kiện tự nhiên 22

2.1.1 Vị trí địa lý 22

2.1.2 Địa hình 23

2.2 Chất lượng môi trường không khí xung quanh khu vực sản xuất gạch nung tỉnh An Giang 23

2.2.1 Kết quả quan trắc chất lượng không khí khu vực lò gạch 2010 – 2011 23

2.2.2 Các kiểu lò gạch được khuyến khích áp dụng tại An Giang 27

2.3 Tiềm năng về biogas của tỉnh An Giang 31

2.3.1 Ngành chăn nuôi tỉnh An Giang 31

2.3.2 Thực trạng quản lý chất thải rắn tại tỉnh An Giang 34

Chương 3 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM Ủ KHÍ SINH HỌC 36

3.1 Phương pháp luận 36

3.2 Cơ sở tính toán các nguồn năng lượng 37

3.3 Mô hình nghiên cứu khả năng sinh khí biogas từ hỗn hợp CTR sinh hoạt và phân heo 42

3.3.1 Cơ sở thực nghiệm 42

3.3.2 Bố trí thí nghiệm 43

3.3.3 Kết quả thí nghiệm 48

Chương 4 ĐỀ XUẤT THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH KẾT HỢP LÒ GẠCH - BIOGAS 57

4.1 Đề xuất thử nghiệm mô hình kết hợp lò gạch – biogas theo định hướng giảm thiểu ô nhiễm 57

4.2 Tính toán chi phí lợi ích 76

4.2.1 Nguồn chi sơ bộ của dự án 76

4.2.2 Nguồn thu sơ bộ của dự án 78

4.3 Những ưu nhược điểm của dự án 78

4.4 Đề xuất giải pháp cần thực hiện khi áp dụng triển khai dự án 80

4.4.1 Giải pháp phát triển ngành chăn nuôi của tỉnh 80

4.4.2 Giải pháp quản lí chất thải rắn sinh hoạt 84

4.4.3 Giải pháp trực tiếp thúc đẩy dự án 85

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 94

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Tính chất khí sinh học sinh ra từ hầm ủ biogas 6

Bảng 2.1 : Các lò gạch phải thay đổi công nghệ hoặc phải tháo dỡ tại An Giang 27

Bảng 2.2 : Các kiểu lò gạch có khả năng ứng dụng tại tỉnh An Giang 30

Bảng 3.1 : Khả năng tỏa nhiệt của một số loại vật liệu 37

Bảng 3.2 : Số liệu khảo sát, thu thập được từ các lò gạch truyền thống 39

Bảng 3.3 : Lượng chất thải phát sinh theo trọng lượng heo 40

Bảng 3.4 : Lượng khí biogas sinh ra từ chất thải chăn nuôi heo và bò 40

Bảng 3.5 : Thành phần % nguyên tố của chất hữu cơ trong CTR sinh hoạt 41

Bảng 3.6 : Độ ẩm của các thành phần trong CTR sinh hoạt 42

Bảng 3.7 : Tính chất của mẫu phân heo sử dụng trong thí nghiệm 43

Bảng 3.8 : Tính chất của mẫu rác sử dụng trong thí nghiệm 44

Bảng 3.9 : Thành phần mẫu rác sử dụng trong thí nghiệm 44

Bảng 3.10 : Tỉ lệ phối trộn nguyên liệu của 2 mô hình 45

Bảng 3.11 : Mẫu bảng theo dõi hàng ngày các thông số 47

Bảng 3.12 : Các phương pháp phân tích mẫu 48

Bảng 3.13 : Thành phần chỉ tiêu trong nước rỉ của mô hình thí nghiệm 56

Bảng 4.1 : Mối quan hệ giữa năng lượng sinh ra mỗi ngày và số lò gạch đáp ứng được của mô hình 1 : 10 63

Bảng 4.2 : Tổng thể tích khối ủ trong hầm ủ thay đổi theo ngày 65

Bảng 4.3 : Chi phí xây dựng hầm ủ bioags 68

Bảng 4.4 : So sánh chất lượng nước rỉ rác của Luận văn với số liệu của nghiên cứu khác70 Bảng 4.5 : Thông số cơ bản của dự án 73

Bảng 4.6 : Nguồn chi sơ bộ của dự án 76 Bảng 4.7 : Nguồn thu sơ bộ của dự án 78

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 : Sơ đồ phản ứng trong xử lý kị khí 7

Hình 1.2 : Cấu tạo túi trữ khí 12

Hình 2.1 : Bản đồ tự nhiên tỉnh An Giang 22

Hình 2.2 : Biểu đồ biểu diễn độ ồn khu vực sản xuất gạch 2010 - 2011 24

Hình 2.3 : Biểu đồ biểu diễn bụi khu vực sản xuất gạch 2010 - 2011 24

Hình 2.4 : Biểu đồ biểu diễn HF khu vực sản xuất gạch 2010 – 2011 25

Hình 2.5 : Biểu đồ biểu diễn CO, SO2, NO2 khu vực lò gạch năm 2010 – 2011 25

Hình 2.6 : Biểu đồ biểu diễn HF khu vực sản xuất gạch năm 2010 – 2011 26

Hình 2.7 : Nguyên lí hoạt động của lò Hoffman 28

Hình 3.1 : Dự kiến các nguồn năng lượng bổ sung cho trấu áp dụng cho lò gạch 36

Hình 3.2 : Cấu trúc xốp của vỏ trấu 37

Hình 3.3 : Mô hình ủ kị khí nguyên liệu rác – phân heo 46

Hình 3.4 : Lượng khí sinh ra theo từng ngày thu khí của mô hình thí nghiệm 49

Hình 3.5 : Lượng khí sinh ra / 1kg nguyên liệu ủ theo từng ngày thu khí của mô hình thí nghiệm 50

Hình 3.6 : Lượng khí tích lũy của mô hình thí nghiệm 51

Hình 3.7 : Lượng khí tích lũy / 1 kg nguyên liệu ủ theo từng ngày thu khí của mô hình thí nghiệm 52

Hình 3.8 : Diễn biến nồng độ (%) khí mêtan của mô hình thí nghiệm 53

Hình 3.9 : Sắc kí đồ % mêtan cao nhất và thấp nhất của mô hình thí nghiệm trên máy sắc kí khí ghép khối phổ GCMS – QP2010 54

Hình 3.10 : Diễn biến độ sụt giảm thể tích của mô hình thí nghiệm 55

Hình 4.1 : Khu vực lựa chọn thí điểm: huyện Châu Thành, An Giang 59 Hình 4.2 : Mối quan hệ giữa năng lượng sinh ra mỗi ngày và số lò gạch đáp ứng được 62 Hình 4.3 : Thể tích khối ủ tích lũy theo ngày 67 Hình 4.4 : Công nghệ đề xuất xử lí nước rỉ rác 69 Hình 4.5 : Quy trình sản xuất phân compost từ bùn thải sau kị khí 72 Hình 4.6 : Đề xuất quy trình sản xuất biogas từ rác – phân heo cung cấp nhiên liệu đốt cho lò gạch 74 Hình 4.7 : Sơ đồ phân bố thời gian hoạt động của mô hình kết hợp biogas – lò gạch 75

ĐBSCL : Đồng bằng Sông Cửu Long

GC-MS : Gas chromstography – mass spectrometry (Sắc ký khí ghép khối phổ) HFO : Heavy fuel oil

KCN : Khu công nghiệp KH&CN : Khoa học và Công nghệ MH : Mô hình

QCVN : Quy chuẩn Việt nam TNHH : Trách nhiệm hữu hạn Tp HCM : Thành phố Hố Chí Minh TTCN : Tiểu thủ công nghiệp UASB : Upflow anaerobic sludge blanket UBND : Ủy ban nhân dân

VMTTN : Viện Môi trường và Tài nguyên

TÓM TẮT

Việc kết hợp rác thải sinh hoạt và phân heo làm nguyên liệu ủ kị khí và sử dụng khí biogas thu được để đốt cấp nhiệt cho các lò gạch truyền thống là một dự án hữu ích giúp giải quyết tốt tình trạng ô nhiễm môi trường từ 3 nguồn thải: chất thải chăn nuôi heo, rác thải sinh hoạt và khí thải lò gạch tại tỉnh An Giang

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu khả năng ứng dụng khí sinh học từ hầm ủ rác kết hợp với phân heo cho hoạt động sản xuất gạch nung tại các lò gạch truyền thống theo định hướng giảm thiểu chất thải Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: phương pháp nghiên cứu lí thuyết, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp thống kê xử lí số liệu, phương pháp phân tích chi phí-lợi ích Nghiên cứu thực hiện thí nghiệm trên 2 mô hình kị khí với tỉ lệ phối trộn phân heo : rác thải sinh hoạt lần lượt là 1 : 5 và 1 : 10 Kết quả thu được như sau: mô hình 1 : 5 với tổng lượng khí là 14,8 lít/kg nguyên liệu sau 38 ngày ủ, bình quân đạt 0,4 lít/kg.ngày, bắt đầu sinh khí vào ngày thứ 9; mô hình 1 : 10 với tổng lượng khí là 19,37 lít/kg nguyên liệu sau 43 ngày ủ, bình quân đạt 0,451 lít/kg.ngày, bắt đầu sinh khí vào ngày thứ 15

Tỉ lệ phối trộn phân heo và rác thải sinh hoạt theo tỉ lệ 1 : 10 thì thích hợp để áp dụng cấp khí mêtan đốt cho các lò gạch An Giang Mô hình thí nghiệm cho lượng khí cao nhất vào ngày ủ thứ 25 với thể tích là 22,5 lít đạt 53% mêtan Thể tích khối ủ sau 44 ngày

ủ giảm 20% so với ban đầu

Với lượng rác thải đô thị hơn 1000 tấn/ngày và lượng phân của khoảng 178 nghìn đầu heo (2011) phát sinh trên toàn bộ địa bàn tỉnh An Giang, tỉ lệ phối trộn 1 : 10 sau khi ủ kị khí cung cấp lượng khí biogas đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng cho 9 lò hoạt

động trong 1 thángsau 38 ngày ủ Chi phí đầu tư ban đầu của dự án là 17,8 tỉ VND

Trong 10 năm đầu, lợi nhuận của dự án là 5,8 tỉ VND/năm và sau thời gian 10 năm, lợi nhuận đạt7,56 tỉ VND/năm

ABSTRACT

Using the mixture of pig manure and household waste like material for biogas production to provide energy for traditional brick kilns in An Giang is a useful project It helps to resolve environment problems from 3 waste resources including pig manure, domestic waste and air pollution from brick kilns

The main objective of the thesis is to research applications of biogas to supply energy for traditional brick kilns in order to decrease waste amount by using anaerobic incubation system.The methods are applied in this research including theoretical research, experiment, statistics and data analysis andcost benefit analysis. The experiment was carried out on two anaerobic models with different mixing rate between pig manure and municipal solid waste to be 1:5 and 1:10 The results showed that total gas volume was generated in model 1:5 was 14,8l/kg after 38 days of incubation, biogas started to be generated after 9 days In the second model (the rate of 1:10), the total generated biogas volume was 19,37l/kg after 43 days of incubation, biogas production was started on the 15th day

The mixingratio between pig manure and household waste at 1:10 was appropriate in order to supply methane for brick kiln in An Giang The highest amount of biogas production can be gained on the 25th day with a volume of 22,5 liters (53% methane) Mass volume after 43 days of incubation reduced 20% compared to the initial volume

With the municipal solid waste amount of 956 tons/day and pig manure of about 178 thousand of head pigs in An Giang(2011), mixing ratio of 1:10 in anaerobic incubation condition can produce biogas to meet energy demand for 9 brick kilns in a month after 38 days of incubation The initial investmentcostof the project is17,8 billion VND Inthe first 10 years, the profit of the project is5,8 billion VND/year After10 years, the profitis about7,56 billion VND/ year

MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề

Tại An Giang, sản xuất vật liệu xây dựng là ngành nghề truyền thống vốn chiếm tỉ trọng lớn trong các ngành công nghiệp và sử dụng nhiều lao động nông thôn Trong tất cả các loại vật liệu xây dựng ở An Giang thì gạch nung được sản xuất, sử dụng khá phổ biến và được xem là một trong những thế mạnh về kinh tế với hơn 1500 lò gạch Tuy nhiên các lò gạch nung tại đây đa số đều là các lò thủ công,nguyên liệu đốt chính là bằng trấu cho nên trong quá trình nung gạch đã thải ra môi trường rất nhiều loại khí độc hại: SO2, CO, CO2, NOx,… có ảnh hưởng rất xấu tới sức khỏe người dân, môi trường sống và sản xuất hoa màu Theo Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh An Giang thống kê được thì tại An Giang, tính đến năm 2010, có khoảng gần 1000 lò gạch truyền thống cần phải tháo dỡ hoặc chuyển đổi công nghệ vì gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường sống Kết quả của Báo cáo Quan trắc hiện trạng môi trường tỉnh An Giang năm 2011 cho biết nồng độ HF trong không khí xung quanh của 2/3 khu lò gạch vượt gần 1,5 lần so với giới hạn cho phép QCVN 06 : 2009 (khu lò gạch Bình Mỹ vượt 1,37 lần, khu lò gạch Nhơn Mỹ vượt 1,48 lần) và cả 3 khu lò gạch được kiểm tra đều vượt giới hạn về chỉ tiêu độ ồn

Nguồn: [13]

Đặc điểm chăn nuôi của tỉnh An Giang được qui định bởi sự khác nhau của địa

hình Trâu bò được nuôi nhiều ở các tỉnh miền núi, trong khi vịt và gà được nuôi chủ yếu tại các huyện cù lao và huyện đồng bằng Năm 2009, tổng đàn các loại gia súc gia cầm như sau: 868.116 gà; 3.153.108 vịt; 181.901 heo; 73.696 bò; 5.383 trâu; và 2.933 dê (Niêm Giám thống kê tỉnh An Giang, 2009) Chăn nuôi tỉnh An Giang nhìn chung là phát triển, tuy nhiên chủ yếu là chăn nuôi theo mô hình kinh tế hộ gia đình, chưa đầu tư thu gom xử lí phân triệt để và một phần lớn phân gia súc, gia cầm được thải bỏ trực tiếp ra môi trường, số lượng phân được sử dụng cho việc ủ biogas là rất thấp Vì thế, môi trường nông thôn tỉnh An Giang nhất là khu vực chăn nuôi tập trung hiện đangbị ô nhiễmnghiêm trọng

Nguồn: [12]

Thêm vào đó, do những hạn chế nhất định về năng lực thu gom, xử lý và quản lý rác, ý thức của cộng đồng còn nhiều hạn chế nên việc vứt rác bừa bãi ra đường phố, xuống kênh rạch, đất trống,… đang còn rất phổ biến gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến mỹ quan khu vực sinh sống Theo khảo sát, tổng khối lượng chất thải rắn phát sinh trên địa bàn tỉnh An Giang hiện nay khoảng trên 1000 tấn/ngày, khối lượng chất thải rắn được thu gomchỉ đạt gần 400 tấn/ngày (chiếm 40% tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh) Rác sau khi thu gom thường được đổ đống hoặc chứa trong các hố rác ở các bãi rác, phun thuốc diệt côn trùng hoặc chế phẩm EM và đốt (vào mùa nắng), nước rỉ từ rác chưa được thu gom và xử lý, khói thải từ việc đốt rác cũng chưa được xử lý, mùi hôi phát sinh từ các bãi chứa rác chưa có biện pháp khống chế, gây ô nhiễm môi trường không khí và nước, nhất là vào mùa mưa lũ

Nguồn: [2]

Một vấn đề được đặt ra cho tỉnh An Giang là làm thế nào tìm kiếm loại nhiên liệu

bổ sung và thay thế phần nào cho trấu đốt trong các lò gạch vừa đáp ứng về yêu cầu

năng lượng đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng môi trường xung quanh và giá thành phải hợp lí Việc kết hợp rác thải sinh hoạt và phân thải ngành chăn nuôi làm nguyên liệu ủ kị khí và sử dụng biogas thu được để đốt cấp nhiệt cho các lò gạch sẽ là một dự án hữu ích giúp giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường và khan hiếm nguồn năng lượng tại tỉnh

An Giang Do đó, đề tài “Nghiên cứu đề xuất mô hình sử dụng năng lượng tái tạocho

lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thảiở tỉnh An Giang” được tiến hành dựa trên

ý tưởng kết hợp giảm thiểu ô nhiễm từ 3 nguồn thải: khí thải lò gạch, chất thải từ chăn nuôi heo và rác thải sinh hoạt

2.Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng ứng dụng khí sinh học từ hầm biogas với nguyên liệu ủ là rác kết hợp với phân heo cho hoạt động sản xuất gạch nung tại các lò gạchtruyền thống theo định hướng giảm thiểu chất thải

3.Nội dung nghiên cứu

Nội dung thực hiện đề tài bao gồm: Khảo sát và thu thập tài liệu hiện trạng hoạt động của các lò gạchtại An Giang Khảo sát và thu thập tài liệu hiện trạng chăn nuôi heo và quản lí chất thải rắn sinh hoạt tại An Giang

Xây dựng thí nghiệm ủ kị khí với nguyên liệu kết hợp từ phân heo và rác thải sinh hoạt quy mô phòng thí nghiệm

Đề xuất mô hình và các giải pháp để triển khai áp dụng mô hình kết hợp biogas

và lò gạch

4.Phương pháp nghiên cứu

4.1.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Thu thập tài liệu, số liệu nghiên cứu trong nước và trên thế giới về chất thải rắn hữu cơ, phân heo, công nghệ phân hủy kị khí và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí, sản xuất khí sinh học, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học

Khảo sát, tham quan một số công nghệ sản xuất khí sinh học từ phân heo hiện có ở An Giang

Khảo sát, tham quan một số công nghệ nung gạch hiện có ở An Giang Tổng hợp phân tích, so sánh và đánh giá lập kế hoạch nghiên cứu mô hình thí nghiệm

Xác định giới hạn nghiên cứu và phương án thực nghiệm

4.2.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Điều tra, phỏng vấn chủ lò gạch, trại heo tại tỉnh An Giang

Phân tích tính chất nguyên liệu ủ: phân heo, rác thải sinh hoạt Xác định lưu lượng, thành phần và đặc tính khí sinh ra từ mô hình ủ biogas Theo dõi lấy mẫu khí phân tích nồng độ mêtan

Tìm kiếm các giải pháp công nghệ Thực nghiệm lựa chọn mô hình thích hợp

4.3.Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Dựa trên các lý thuyết về xác suất thống kê, xử lý các số liệu nhận được trong quá trình thí nghiệm và quá trình điều tra khảo sát thực tế

5.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng được sử dụng trong nghiên cứu là phân heo, rác thải sinh hoạt và lò

gạch truyền thống Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tỉnh An Giang

6.Ý nghĩa của đề tài

6.1.Ý nghĩa khoa học

Tìm kiếm nguồn năng lượng sạch theo định hướng giảm thiểu phát thải sử dụng

đốt cấp nhiệt cho các lò gạch trước tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng hiện nay

6.2.Ý nghĩa thực tiễn

Một mặt giải quyết được vấn nạn ô nhiễm do ngành chăn nuôi cũng như lượng rác thải sinh hoạt thải ra, một mặt giảm thiểu được lượng phát thải chất ô nhiễm trong khí thải lò nung

Bên cạnh đó mô hình này góp phần làm nhẹ gánh nặng về năng lượng mà nước ta cũng như trên toàn thế giới đang gặp phải

6.3.Tính mới của đề tài

Đề tài là một hướng đi mới nhằm ứng dụng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đốt khí sinh học từ hầm ủ biogas vào các lò nung sản xuất gạch

Chương1

TỔNG QUAN KHÍ SINH HỌC 1.1.Khí sinh học

1.1.1.Định nghĩa

Biogas còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường kị khí Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm :

CH4: 60 - 70% CO2: 30 - 40% Phần còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2,CO,CO2…CH4 có số lượng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kị khí

Nhiệt độ cháy của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của lò đốt Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào các thành phần trong biogas Ước tính 1 m3 CH4 khi đốt tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng hay 9,7 kW điện Điều này cho thấy sự tiết kiệm lớn nguồn nhiên liệu từ xử lý chất thải chăn nuôi Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong khí đó của khí CH4 là 34,9 MJ/lít Như vậy 1.1 m3CH4 có thể thay thế 1 lít dầu HFO

Nguồn: [18]

Vận tốc cháy cũng là một thông số cần quan tâm khí ứng dụng biogas vào lò gạch Vận tốc cháy của hỗn hợp biogas/không khí là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp Thông số này quyết định thời điểm cấp thêm khí đốt Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH4 trong hỗn hợp biogas/không khí và % thể tích CO2

Bảng 1.1: Tính chất khí sinh học sinh ra từ hầm ủ biogas

Nguồn: [19]

1.1.2.Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống ủ kị khí

Quá trình phân hủy kị khí là một quá trình tự nhiên và là sự chuyển đổi sinh học của các chất hữu cơ thành CH4 trong điều kiện không có oxy Quá trình phân hủy được thực hiện do hoạt động của các vi khuẩn trong tự nhiên ở các giai đoạn khác nhau

Quá trình phân hủy kị khí của chất thải hữu cơ được biểu diễn trong phương trình sau:

Toàn bộ quá trình diễn ra được mô tả ở hình 1.2: giai đoạn thủy phân, là giai

đoạn mà các phân tử phức tạp sẽ được bẻ gãy mạch thành những phần tử monomer; giai

phân hủy kị khí

đoạn axit hóa, giai đoạn này các axit sẽ được hình thành; giai đoạn acetate hóa, tạo ra các

sản phẩm của acetate; và giai đoạn methane hóa, giai đoạn mà trong đó methane được tạo ra từ acetate và hydro Quá trình phân hủy sẽ không hoàn tất cho đến khi nguyên liệu trải qua tất cả các giai đoạn trên, mỗi giai đoạn sẽ có những loại vi khuẩn riêng chịu trách nhiệm chính vì vậy mà điều kiện môi trường cũng đòi hỏi khác nhau

Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng trong xử lý kị khí

Pha đầu tiên của phân hủy kị khí là thủy phân, các hợp chất hữu cơ phức tạp như cacbohydrates, proteins, và lipit bị biến đổi thành dạng hòa tan và sau đó thủy phân thành các hợp chất hữu cơ đơn giản Pha thứ hai, axit hóa (cũng được biết như là lên men), vi khuẩn tạo axit chuyển hóa những sản phẩm từ pha đầu tiên thành các axit hữu cơ mạch ngắn sơ cấp, acetic, propionic, và axit lactic, và H2 và CO2 Pha thứ 3, metan hóa, các methanogen chuyển các axit bay hơi thành mêtan và CO2

Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt (lên men

axit) Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả CH4 (bắt đầu lên men metan) Các vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4 (giai

đoạn lên men metan còn gọi là lên men kiềm) Sản phẩm cuối cùng là metan, CO2, những khí dạng vết và phần rắn ổn định còn lại

hòa tan:

Toàn bộ quá trình dựa trên sự duy trì cân bằng tới hạn giữa các hoạt động riên của từng giai đoạn trong 3 pha Nếu không có sự cân bằng này thì có thể giảm hiệu quả của toàn bộ quá trình và có thể làm cho tất cả các vi khuẩn ngừng hoạt động và quá trình tạo metan không xảy ra

Thủy phân (Hydrolysis)

Trong giai đoạn đầu, các hợp chất hữu cơ phức tạp sẽ được bẻ gãy thành những thành phần đã cấu tạo nên chúng trong quá trình thủy phân Kết quả là tạo ra các monome hòa tan: protein được chuyển hóa thành amino axit, chất béo thành axit béo, glycerol và triglyceride, các hợp chất hydrocacbon phức tạp như polysaccharide, cellulose, lignin, tinh bột và sơ động thực vật được chuyển hóa thành các loại đường đơn, ví dụ như glucose Vi khuẩn thủy phân hoặc lên men có nhiệm vụ tạo các monome mà sẽ được các vi khuẩn khác sử dụng ở giai đoạn sau Nếu nguyên liệu đầu vào có cấu trúc phức tạp, giai đoạn thủy phân sẽ tương đối chậm Điều này đặc biệt rõ đối với chất thải thô có chứa celluloze, vì trong thành phần có lignin

Axit hóa (Axitogenesis)

Quá trình thủy phân sẽ được theo sau ngay lập tức bằng việc hình thành các dạng axit trong giai đoạn axit hóa Trong quá trình này, vi khuẩn axit hóa sẽ chuyển các sản phẩm của quá trình thủy phân thành những hợp chất hữu cơ đơn giản, thường là những chuỗi axit (bay hơi) (ví dụ như: propionic, formic, lactic, butyric, or succinic axit) và rượu cồn Nồng độ tập trung của các chất được tạo ra trong giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào từng chủng loại vi khuẩn cũng như điều kiện môi trường, nhiệt độ và pH

Acetate hóa (Acetagenesis)

Giai đoạn tiếp theo sau quá trình thủy phân là giai đoạn acetate hóa, trong giai

đoạn này BOD và COD của chất thải cũng được loại bỏ Quá trình axit hóa thường được

thể hiện bằng việc sinh ra cacbonhydrate, mà sản phẩm chính được tạo ra là acetate, CO2và H2 Hydro đóng vai trò là tác nhân trung gian, nó quyết định các phản ứng quan trọng của quá trình phân hủy kị khí Các axit béo mạch dài, được hình thành trong giai đoạn thủy phân lipid sẽ được oxy hóa thành acetate hoặc propionate và khí hydro được tạo ra

Sự chuyển hóa của chất nền từ dạng các chất hữu cơ sang các axit hữu cơ trong giai đoạn axit hóa sẽ làm cho pH của hệ thống giảm xuống Điều này có lợi cho quá trình axit hóa và vi khuẩn axit hóa thích sống trong môi trường có độ axit nhẹ, pH nằm trong khoảng từ 4,5 đến 5,5 và ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của dòng nguyên liệu đầu vào, tuy nhiên sự thay đổi này sẽ là vấn đề khó giải quyết đối với những vi khuẩn ở giai đoạn sau, giai đoạn metan hóa

Methane hóa (Methanogenesis)

Vi khuẩn kị khí metan thực hiện quá trình lên men của mình trong 3 giai đoạn Vi khuẩn metan hóa rất khó tồn tại, nó chỉ xuất hiện trong tự nhiên ở sâu trong những vùng cặn lắng hoặc trong bụng của các động vật ăn cỏ Vi khuẩn này sẽ chuyển đổi các hợp chất hòa tan thành metan, khoảng 2/3 có nguồn gốc từ sự chuyển đổi của acetate hoặc quá trình lên men của rượu cồn

Quá trình metan hóa dễ dàng bị ảnh hưởng bởi những sự thay đổi và thích hợp với môi trường trung tính hoặc có độ kiềm yếu Nếu pH cho phép nhỏ hơn 6 thì vi khuẩn metan hóa không thể sống sót Quá trình metan hóa cần phải được kiểm soát tốc độ bởi vì vi khuẩn metan hóa phát triển chậm hơn so với vi khuẩn axit hóa Bởi vậy động học của toàn bộ quá trình có thể được mô tả bởi động học của quá trình metan hóa

1.1.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ biogas

Điều kiện kị khí

Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh

vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn

Nhiệt độ

Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 450C, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 450C Nhiệt độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Nhiệt độ dưới 100C làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ không được sinh ra hoặc

rất ít Tuy nhiên, là chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 320C là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí metan

pH

pH thay đổi do sự biến đổi sinh học trong suốt các giai đoạn của quá trình phân huỷ kị khí pH ổn định chỉ ra trạng thái cân bằng của hệ thống và sự ổn định của hầm ủ pH giảm dẫn tới quá trình tích luỹ axit và làm cho hầm ủ không ổn định Khoảng pH để cho vi sinh vật có thể hoạt động trong quá trình phân huỷ kị khí từ 5,5 đến 8,5, cũng có thể ở trạng thái trung hòa, là khoảng pH tốt nhất cho vi khuẩn methane hóa có thể hoạt

động Hầu hết quá trình methane hóa diễn ra ở khoảng pH từ 6,7 đến 7,4 và khoảng tối ưu là từ 7,0 đến 7,2

Ẩm độ

Ẩm độ đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm độ

lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp

Thành phần dinh dưỡng

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ

nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cấp là C và N; với carbon ở dạng là carbohydrate, còn nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac

Khuấy trộn

Mục đích của việc khuấy trộn trong bể ủ là để tăng khả năng tiếp xúc của nguyên liệu với các vi khuẩn, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy được diễn ra nhanh hơn Mặc khác, việc khuấy trộn sẽ ngăn ngừa được việc tạo thành lớp váng ở trền bề mặt bể ủ và tránh được việc nhiệt độ trong bể ủ giảm Tuy nhiên việc khuấy trộn quá mức sẽ làm chết vi khuẩn do vậy mà việc khuấy trộn cần được thực hiện chậm Các loại thiết bị khuấy trộn và cường độ khuấy thì tùy thuộc vào từng loại bể ủ và nồng độ chất rắn có trong bể

Thời gian lưu

Thời lượng nguyên liệu ở trong bể ủ được gọi là thời gian lưu (retention time hoặc residence time).Thời gian lưu trong hầu hết các quá trình khô từ 14 – 30 ngày, và với quá trình ướt có thể thấp hơn 3 ngày Giá trị tối ưu thay đổi tùy theo công nghệ đặc trưng, nhiệt độ của quá trình và thành phần rác thải Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng chất rắn dễ bay hơi trong bể ủ có thể giảm xuống 64 – 85% chỉ sau 10 giờ nhưng cần thời gian lưu 10 ngày để hoàn thành quá trình ủ

Hàm lượng chất rắn

Để hầm ủ hoạt động tốt thì hàm lượng chất rắn nên chiếm dưới 9%, hàm lượng

này thay đổi theo mùa thường từ 7 – 9% Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt độ cao khả năng sinh gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận

1.2.Lưu trữ và làm tinh khiết biogas

1.2.1.Túi chứa khí

Trước khi biogas được sử dụng làm nhiên liệu, nó sẽ được thu gom, bơm và lưu trữ trong thiết bị chứa gas Số lượng gas được lưu trữ phụ thuộc vào sự dao động của quá trình sinh khí trong hầm ủ Thiết bị chứa gas thích ứng được với sự dao động đó và không cho phép không khí xâm nhập vào bên trong Túi chứa gas với lớp màng kép đáp

ứng được những yêu cầu trên, thêm vào đó là những tiện ích khác như hiệu quả hoạt động được đảm bảo, thời gian sử dụng lâu, dễ dàng lắp đặt và mức độ an toàn cao

Hình 1.2: Cấu tạo túi trữ khí

Nguồn: [24]

Túi chứa khí với lớp màng kép bao gồm 3 lớp màng có độ bền cao tạo thành hình dáng của túi chứa Một chiếc đai thép mạ kẽm gắn chặt các lớp màng vào nền móng bê tông cốt thép Lớp màng đáy sẽ bịt kín những lỗ trống ở phần đáy Lớp màng ở bên trong có nhiệm vụ lưu giữ gas, phụ thuộc vào công suất chứa, độ căng của túi ở dưới một mức độ cho phép bằng một bơm cấp khí có van chống nổ Như vậy lớp màng bên ngoài có khả năng chịu chống lại những thay đổi do thời tiết cũng như các yếu tố không thuận lợi khác, cấu trúc ổn định và bảo vệ lớp màng bên trong túi chứa gas Thêm vào đó van an toàn bảo vệ hệ thống khi áp suất lên quá cao

1.2.2.Làm sạch biogas 1.2.2.1.Loại bỏ hơi nước:

- Trong các mô hình ủ kị khí, kỹ thuật để loại bỏ hơi nước rất thông dụng Ngoài nước thì các thành phần không sạch có trong biogas như bụi cũng được loại bỏ

- Có nhiều phương pháp để loại bỏ nước:

• Phương pháp ngưng tụ: dựa vào nguyên tắc các hạt nước nhỏ sẽ được giữ lại hoặc bẫy và sau đó được loại bỏ Quá trình loại bỏ có thể được thực hiện bằng tay hoặc bằng máy

• Phương pháp làm khô: hấp thụ bằng Silica, thiết bị làm khô sử dụng Glycol,…

1.2.2.2.Loại bỏ CO2

- Phương pháp đơn giản nhất loại trừ CO2 khỏi biogas là tháp rửa (phương pháp hấp thụ): CO2 được hấp thụ bằng dung dịch kiềm, 2 loại hóa chất hấp thụ là NaOH, Ca(OH)2

NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O = NaHCO3- NaHCO3 kết tủa và tách khỏi dung dịch

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O - CaCO3 kết tủa và tách khỏi dung dịch 1 kg vôi trong 1 m3 nước có thể loại trừ 300 lít

CO2 hoặc 860 lít biogas (trường hợp CO2 chiếm 35%)

1.2.2.3.Loại bỏ H2S

- Na2CO3 hình thành trong phản ứng loại bỏ CO2 có thể dùng loại trừ H2S khỏi biogas, thời gian tiếp xúc cần đủ lớn để các phản ứng xảy ra

H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3- Phương pháp đơn giản hôn và kinh tế hơn là cho lớp mạc sắt hoặc Fe2O3 trổn vào gỗ

bào Phương pháp này gọi là rửa khí khô

Fe2O3 + H2S = Fe2S3 + 3H2O - Fe2O3 có thể phục hồi bằng cách phơi hoặc làm nóng trong không khí

Fe2O3 + 3O2 = 2Fe2O3 + 3S2

1.3.Công nghệ sản xuất khí sinh học

1.3.1.Công nghệ sản xuất khí sinh học 1.3.1.1.Phân loại bể lên men

Bể lên men theo mẻ

Với loại bể này, hầm ủ được nạp đầy nguyên liệu trong một lần, cho thêm chất mồi và đậy kín lại và quá trình sinh khí sẽ diễn ra trong một thời gian dài cho tới khi nào lượng khí sinh ra giảm thấp tới một mức độ nào đó Sau đó toàn bộ các chất thải của hầm

ủ được lấy ra chỉ giữ lại 10 – 20% để làm chất mồi, nguyên liệu mới lại được nạp vào đầy

cho hầm ủ và quá trình cứ tiếp tục Theo kiểu vận hành này thì lượng khí sinh ra hàng ngày không ổn định, nó thường cao vào lúc mới nạp và giảm dần đến cuối chu kỳ

Bể lên men bán liên tục

Nguyên liệu nạp vào cho hầm ủ 1 hoặc 2 lần/ngày và cùng một lượng chất thải của hầm ủ sẽ được lấy ra ngay các thời điểm đó Kiểu vận hành này thích hợp khi ta có một lượng chất thải thường xuyên Thể tích của hầm ủ phải đủ lớn để làm 2 nhiệm vụ: ủ phân và chứa gas Theo kiểu vận hành này thì tổng thể tích gas sản xuất được trên một

đơn vị trọng lượng chất hữu cơ thường cao

Bể lên men liên tục

Ở loại này việc nạp nguyên liệu và lấy chất thải của hầm ủ ra được tiến hành liên

tục Lượng nguyên liệu nạp được giữ ổn định bằng cách cho chảy tràn vào hầm ủ hoặc dùng bơm định lượng Phương pháp này thường dùng để xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất rắn thấp

1.3.1.2.Số lượng mô hình phân huỷ kị khí công suất lớn ở các nước

Theo báo cáo của German Technical Cooperation Agency (1999) đã cho biết có khoảng 400 mô hình phân hủy kị khí (công suất lớn hơn 2.500 tấn/năm) trên thế giới xử lý rác thải đô thị và công nghiệp Có khoảng 40 công ty với các công nghệ khác nhau trên thế giới nhận xây dựng và điều hành các mô hình phân hủy kị khí trên thị trường

1.3.2.Một số nghiên cứu về khả năng sản sinh biogas từ nguyên liệu kết hợp

Tác giả Thái Mạnh Hùng, Phạm Văn Ánh… (2010) đã nghiên cứu thành công

khả năng sinh biogas từ nguyên liệu là bùn từ bể tự hoại và rác hữu cơ.Thí nghiệm được

tiến hành trên hệ thống xử lý có dung tích 1000 lít với chất thải nạp ban đầu là hỗn hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ nghiền nhỏ theo tỷ lệ 1:1 Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình tạo khí sinh học đạt tỷ lệ CH4 cao, với pH trong bể phản ứng được ổn định ở mức 7,0 – 7,2 và có sự hỗ trợ của vi sinh vật đã được thích nghi trước với cơ chất và điều kiện nhiệt độ cao Sau 50 ngày vận hành, 80,7% COD đã được loại bỏ Vi sinh vật sinh metan trong bể phản ứng tăng về mật độ theo thời gian và chuyển từ trạng thái có các loài sử

dụng hydro chiếm ưu thế (như Methanomicrobium) ở thời kỳ đầu của quá trình xử lý sang trạng thái các loài sử dụng acetate (như Methanothrix) chiếm ưu thế ở thời kỳ sau

Tỷ lệ metan sinh ra ở thời kỳ sau đạt mức 60 – 70%

Tác giả Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Đắc Cử và Nguyễn

Hữu Phong với đề tài “So sánh khả năng sinh khí cảu mẻ ủ yếm khí bán liên tục với các

nguyên nạp khác nhau khi có và không có nấm Trichoderma” một lần nữa tìm ra một

nguyên liệu kết hợp từ phân heo và lục bình để ủ biogas Thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng sinh khí của quá trình lên men yếm khí bán liên tụcphân heo (PH) và lục bình (LB) trong trường hợp có hoặc không có bổ sung nấmTrichoderma Các thí nghiệm với hỗn hợp nguyên liệu nạp 75% PH và 25% LB (tính theohàm lượng vật chất khô của nguyên liệu nạp) được tiến hành trên các mô hình lên menyếm khí bán liên tục trong điều kiện phòng thí nghiệm Sau 35 ngày lên men, tổng thể tíchkhí sinh ra từ hai nhóm nghiệm thức có hoặc không có bổ sung nấm Trichoderma là301,43 lít và 293,09 lít, trong đó thể khí mêtan tương ứng là 171,20 lít và 165,11 lít.Thống kê kết quả đo đạc cho thấy sự khác biệt không có ý nghĩa giữa hai nhóm nghiệmthức nêu trên ở mức 5% Như vậy trong điều kiện thí nghiệm, lục bình ngâm nước hầm ủsau 2 ngày có thể kết hợp với phân heo để nạp vào mẻ ủ yếm khí mà không cần thiết xử líbằngnấm Trichoderma

Nguồn: [10]

Một nghiên cứu trong nước đáng chú ý gần đây về việc phối trộn nguyên liệu nhằm đạt lượng khí cao nhất trong quá trình phân huỷ kị khí là đề tài của ThS Lê Thị Kim Oanh cùng nhóm cộng sự (2009) với mục đích nghiên cứu là nâng cao hiệu quả sinh khí sinh học từ chất thải rắn hữu cơ trong qui trình phân hủy kị khí, nghiên cứu và thực nghiệm chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ chạy kết hợp biogas và diesel Một số kết quả chính của đề tài là: ứng dụng công nghệ ủ dạng mẻ, tuần hoàn nước rỉ rác với thời gian tuần hoàn là 15 phút/1 giờ vận hành trong 10 ngày đầu, và 15 phút/2 giờ vận hành trong 15 ngày sau để xử lý chất thải hữu cơ sản xuất biogas, nguyên liệu sử dụng là hỗn hợp chất thải hữu cơ phối trộn, gồm: chất thải rắn sinh hoạt hữu cơ, phân heo và chất thải rắn đã qua ủ kị khí của mẻ phân hủy trước, với tỷ lệ phối trộn hỗn hợp là: 10:1:1 với thời gian ủ hỗn hợp là 25 ngày.Sản phẩm biogas tạo thành là 56,8m3/tấn hỗn hợp rác (296,1m3/tấn OM) với tỷ lệ mêtandao động trong khoảng 52-62% Ngoài ra nghiên cứu còn cho thấy khả năng tiếp nhận tối đa biogas của máy phát điện chạy kết hợp biogas-

diesel thử nghiệm là 90% biogas – 10% diesel, máy khi vận hành bằng hỗn hợp diesel có thể đáp ứng tốt với tải điện thay đổi đột ngột

Ấn Độ

Khi việc phát triển các nguồn năng lượng mới bắt đầu, người ta đặc biệt phổ biến các hầm Biogas gia đình (4 m3) Là một trong những nước có nghiên cứu và ứng dụng đầu tiên những công nghệ sản xuất biogas Công nghệ sản xuất biogas đã được áp dụng vào những năm 1981-1982 ở nông thôn nhưng do có một số sai sót trong thiết kế xây dựng, nguyên liệu và cả vấn đề tài chính nên biogas vẫn chưa được phổ biến Đến năm 1986, với những nghiên cứu mới đã giúp họ cải tiến tình hình và đi đến xây dựng thành công hàng loạt bể phân hủy kị khí tạo biogas Những năm gần đây họ đã tiến hành nghiên cứu sử dụng chất thải trong trồng trọt, phân gia súc, gia cầm,… làm nguyên liệu cho bể phân hủy, quan tâm nghiên cứu đến những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình, thiết kế và xây dựng nhà máy biogas cung cấp năng lượng

Malaysia

Là nước xuất khẩu dầu cọ lớn nhất trên thế giới và đã làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường chất thải dầu cọ bằng cách xây hầm biogas lấy điện năng Mỗi m3 chất thải có thể sản sinh 28 m3biogas: 1,8 kw điện năng/m3biogas

Thái Lan

Những năm 1981 người dân địa phương đã xây dựng các hầm biogas quy mô 80 m3 để phát điện, thắp sáng…

Trung Quốc

Công bố có tới 7 triệu hầm sinh khí vào năm 1982, với tỉ lệ tăng trung bình một triệu hầm một năm Một lý do của Trung Quốc khuyến khích sử dụng rộng rãi các loại hầm sinh khí là vì nhu cầu cấp bách làm giảm sự trông chờ vào các nguồn nguyên liệu gỗ (nguồn lợi rừng bị đe dọa) Một lý do không kém phần quan trọng là mong muốn cải thiện môi trường và sức khỏe con người

Nông dân Trung Quốc sử dụng các nguồn nguyên liệu như rơm, bùn, phân gia súc… cho quá trình sản sinh biogas Tổng tiềm năng của các nhà máy biogas từ những nguồn nguyên liệu này lên tới 145.000 – 162.000 triệu m3 khí Số lượng khí này tương

đương với tổng nhu cầu năng lượng cho các hộ gia đình ở nông thôn dành cho việc nấu

nướng và thắp sáng

1.3.3.2.Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học ở Việt Nam

Công nghệ ủ kí khí hiện nay ở Việt Namngoài việc áp dụng các mẫu hầm ủ nắp vòm cố định, nắp trôi nổi, Trung Tâm Năng Lượng Mới, Ðại Học Cần Thơ còn thiết kế mẫu hầm ủ CT1 Loại hầm ủ này là biến dạng của hầm ủ nắp cố định, hầm ủ có dạng hình trụ tròn, có chuông chứa khí làm bằng xi măng lưới thép, các cấu kiện của hầm ủ

được đúc sẵn do đó thời gian thi công rút ngắn xuống còn từ 2 – 3 ngày Loại hầm ủ này được phát triển trên 100 cái ở khu vực Cần Thơ và vài chục cái ở khu vực ĐBSCL, tuổi

thọ của hầm ủ trên 10 năm Hiện nay, loại hầm ủ này không còn được ưa chuộng nữa do các cấu kiện đúc sẵn cồng kềnh gây khó khăn tốn kém trong quá trình vận chuyển và nguyên liệu nạp phải được thu gom và nạp bằng tay cho hầm ủ

Công ty Cổ phần Nông sản thực phẩm tỉnh Quảng Ngãi đầu tư 21 tỷ đồng xây dựng hệ thống công nghệ xử lý UASB-biogas của Thái Lan tại nhà máy chế biến tinh bột sắn Tịnh Phong đạt được 2 tiêu chí là giải quyết được tình trạng ô nhiễm môi trường, vừa thu hồi được một lượng khí đốt phục vụ cho sấy sản phẩm mỗi năm tiết kiệm được trên 5,000 lít dầu, tương đương 5 tỷ đồng

Nguồn: [31]

Đại học Đà Nẵng và Đại học Osaka Prefecture của Nhật Bản đã thống nhất xây

dựng đề án ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong cỡ nhỏ để trình lên Ủy ban Khoa học Công nghệ ASEAN.Kết quả của công trình nghiên cứu này đã cho ra đời bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu xăng/gas vạn năng có thể lắp đặt trên hầu hết các loại xe gắn máy,

động cơ tĩnh tại, cho phép động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu

Nguồn: [32]

Ngày 09/03/2010 Xí nghiệp chăn nuôi heo Phước Long, huyện Củ Chi, Thành Phố Hồ Chí Minh thuộc Tổng công ty Nông nghiệp Sài Gòn (SAGRI) đã khánh thành và

đưa vào sử dụng công trình sản xuất điện từ biogas bằng công nghệ hiện đại nhất thế giới

với dự án mang tên “Chương trình sử dụng biogas từ nguồn chất thải” với sự tài trợ của Tập đoàn Quản lý năng lượng Kemco (Hàn Quốc) với công suất 80Kwh, bước đầu lượng

điện này đáp ứng trực tiếp khoảng 2/3 nhu cầu điện cho xí nghiệp Chăn nuôi heo Phước

Long

Nguồn: [33]

Hệ thống xử lý nước thải công suất 2.400 m3/ngày đêm thu hồi biogas từ nước sản xuất và nước sinh hoạt của Công ty Bidofood được triển khai, khi hoàn thành lượng biogas thu hồi từ nước thải bằng công nghệ sinh khí đáp ứng 100% lượng nhiệt phục vụ cho sấy tinh bột của nhà máy, tiết kiệm lượng dầu FO mỗi ngày tương đương 5.300 lít Theo tính toán, ở điều kiện trung bình sẽ tạo ra 62.500.000 Kcalo/24 giờ, trong khi nhu cầu nhiệt lượng của nhà máy cần 53.000.000 Kcalo/24 giờ Nhiệt lượng dư thừa gần 10.000.000 Kcalo sẽ được phục vụ phát điện cho nhà máy

Nguồn: [34]

Dự án CDM 1910 Tái chế năng lượng bãi chôn lấp Đông Thạnh, TP HCM do Sở Tài Nguyên và Môi Trường TP HCM và Công ty TNHH KMDV Việt Nam thực hiện hướng tới việc thu hồi khí gas thải ra từ bãi chôn lấp này và sử dụng vào việc phát điện Dự án sẽ lắp đặt bốn máy phát điện với công suất mỗi máy là 1.063 Mw Lượng điện 180.870 Mwh mà bãi chôn lấp tạo ra trong giai đoạn 2009 – 2015 sẽ được đưa vào lưới

điện quốc gia Dự án cũng được kỳ vọng trong bảy năm sẽ giảm được 1.033.693 tấn phát

thải CO2

Nguồn: [35]

Một số nghiên cứu trong nước về quá trình phát sinh và ứng dụng biogas làm nhiên liệu đáng lưu ý:

Bùi Hoàng Lang (2006), Nghiên cứu và chế tạo thành công máy phát điện

chạy bằng biogas công suất 5kW và 10 kW

Nguyễn Quốc Bình, Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ nhiệt phân và khí

hóa từ rác sinh hoạt và trấu Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường

Tp HCM (2009)

Nguyễn Đức Cường (2001), Sử dụng năng lượng đặc biệt làm năng lượng

sinh khối tại Việt Nam

Nguyễn Duy Thiện (2001), Công trình Năng lượng Khí sinh vật Biogas,

NXB Xây Dựung (2001) Bô Ngoại Thương (2005) thí nghiệm xây dựng loại bể ủ sinh vật kiểu BMT2,

tạo khí đun bếp không muội

Trần Minh Chí (2006), Nghiên cứu sản xuất biogas từ chất thải rắn sinh hoạt

bằng công nghệ thùngủ, quy mô pilot

Lê Thị Kim Oanh(2009), Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học từ hỗn hợp

CTR hữu cơ, các bước chuyển đổi động cơ máy phát điện chạy diesel sang chạy hỗn hợp biogas – diesel

Trên địa bàn tỉnh An Giang

Quyết định số 865/QĐ-UBND ngày 10/5/2010 của UBND tỉnh phê duyệt dự án Khí sinh học cho ngành chăn nuôi tỉnh An Giang giai đoạn 2010-2011 ban hành Sở Nông nghiệp và phát triển nông thôn phối hợp với Sở Tài nguyên và môi trường đã và

đang triển khai dự án mang lại hiệu quả khá tốt Việc ứng dụng khí sinh học từ chất thải

chăn nuôi heo, bò đã trở thành một trong những biện pháp hiệu quả, giúp giảm thiểu tác hại môi trường do khí thải và mang lại hiệu quả kinh tế cao Trong bối cảnh thắt chặt chi tiêu như hiện nay, việc ứng dụng càng mang lại tác dụng lớn hơn

Dự án khí sinh học trong chăn nuôi tỉnh An Giang chính thức được áp dụng từ giữa tháng 5-2010 đến nay đã giải quyết được vướng mắc về xử lý chất thải trong chăn

nuôi của nhiều hộ dân vùng nông thôn Trong năm 2010 và quý 1/2011 toàn tỉnh có 108 công trình ứng dụng công nghệ khí sinh học nắp cố định vòm cầu kiểu KT.1 và KT.2 có thể tích phân giải từ 4,2 đến 49,2 m3 được xây dựng và vận hành ổn định Các chủ hộ chủ

yếu sử dụng khí sinh học phục vụ cho thắp sáng đèn khí sinh học, đun nấu bếp gas, nồi cơm gas khí sinh học, bếp nấu tấm, bếp nấu rượu, sưởi ấm gia súc, gia cầm bằng đèn sưởi khí sinh học Qua khảo sát bước đầu, các chủ hộ đều rất phấn khởi vì việc xây dựng công trình khí sinh học không chỉ giúp đảm bảo môi trường chăn nuôi, mà còn mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực như sử dụng khí sinh học thay thế điện, gas công nghiệp, củi, trấu , bình quân giúp tiết kiệm được từ 250.000đ – 300.000đ chi phí trong 1 tháng mua nhiên liệu sinh hoạt

Sau khi được tham gia lớp tập huấn dành cho các thợ xây dựng công trình khí sinh học thuộc dự án ở địa phương, một số hộ gia đình tại thành phố Long Xuyên đã mạnh dạn đầu tư và xây dựng công trình khí sinh học cho đàn heo nhà, với quy mô hơn 50 con Chính dự án đã giúp các gia đình xử lý được vấn đề mùi hôi chất thải và tiết kiệm chi phí sinh hoạt đáng kể Với thể tích 16,6m3, mong muốn ban đầu của các hộ nơi đây chỉ là xử lý thật tốt chất thải và có khí gas để sử dụng Tuy nhiên, kết quả đạt được ngoài mong đợi Hiệu quả đầu tiên là mùi hôi không còn, khí gas thu được không chỉ dùng đun nấu cho gia đình, mà càng về sau lượng khí sinh ra ngày một nhiều, họ trang bị máy chạy gaz dùng để sử dụng chế biến thức ăn cho heo góp phần giảm chi phí sản xuất đáng kể

Qua triển khai thực hiện dự án khí sinh học cho thấy hiệu quả về mặt kinh tế là giúp hộ chăn nuôi tiết kiệm được đáng kể các khoảng chi phí đầu tư Ngoài ra, hộ chăn nuôi còn có thể sử dụng phụ phẩm khí sinh học dùng để bón cho cây trồng, rau cải, góp phần giảm tỷ trọng sử dụng phân hoá học trong trồng trọt Đặc biệt, khí sinh học tận dụng chất thải chăn nuôi tạo ra nhiên liệu sạch cho sử dụng tại chỗ là bước đi quan trọng trong việc giảm thiểu gánh nặng ô nhiễm môi trường Nếu mô hình được nhân rộng sẽ giúp giảm hàng năm ít nhất là 4,7 tấn chất thải chăn nuôi ra môi trường trong tỉnh Với sự hỗ trợ của dự án, 108 công trình khí sinh học trên địa bàn toàn tỉnh được vận hành đã mang lại nhiều hiệu quả thiết thực Đánh giá sau một năm thực hiện của Ban quản lý dự án cho thấy, các công trình sau khi hoàn thành xây dựng đều đã đi vào vận hành ổn định Phát

huy hiệu quả dự án Năm 2011, dự án khí sinh học trong nông nghiệp trên địa bàn An Giang sẽ tiếp tục triển khai 500 công trình ở 11 huyện thị thành, có thể tích hầm từ 6,6 m3

đến 46 m3 theo tiêu chuẩn Việt Nam

Theo thống kê, hiện nay trên địa bàn toàn tỉnh An Giang có 17.840 hộ chăn nuôi heo, 12.587 hộ chăn nuôi trâu bò, với số lượng hộ chăn nuôi đó sẽ là nguồn khí sinh học

đáng kể Nếu việc xây dựng và vận hành tốt các công trình, bà con nông dân sẽ tận dụng được lượng khí sinh học trên sẽ góp phần tiết kiệm đáng kể trong nấu nướng và sinh hoạt

gia đình khi giá gas, điện…liên tục tăng Một điểm đáng quan tâm khác là mô hình đã và

đang từng bước góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường theo tiêu chí xây dựng nông

thôn mới

Chương 2

HIỆN TRẠNG NGÀNH CHĂN NUÔI VÀ SẢN XUẤT GẠCH NUNG TỈNH AN GIANG 2.1.Điều kiện tự nhiên

2.1.1.Vị trí địa lý

Tỉnh An Giang nằm ở phía Tây Nam của vùng ĐBSCL, thuộc phần hữu ngạn sông Tiền, và có một phần nằm trong vùng tứ giác Long Xuyên Toàn tỉnh có diện tích tự nhiên 3.536,76 km2 Phía Bắc và Tây Bắc giáp Campuchia với chiều dài đường biên giới (theo Hiệp ước hoạch định biên giới Việt Nam – Campuchia ký ngày 27/12/1985), Tây Nam giáp tỉnh Kiên Giang, Nam giáp tỉnh Cần Thơ và Đông giáp tỉnh Đồng Tháp

Hình 2.3: Bản đồ tự nhiên tỉnh An Giang

Nguồn: [2]

2.1.2.Địa hình

An Giang là một trong hai tỉnh ở ĐBSCL (cùng với Kiên Giang) vừa có địa hình

đồng bằng và vừa có địa hình đồi núi, trong đó:

Dạng địa hình đồi núi: Diện tích khoảng 33 ngàn ha (chiếm khoảng 10% diện

tích tự nhiên toàn tỉnh), bao gồm phần diện tích có cao trình từ 4 m trở lên so với mực nước biển, phân bố tập trung chủ yếu ở 2 huyện Tri Tôn và Tịnh Biên Đồi núi An Giang gồm nhiều đỉnh có hình dạng, độ cao và độ dốc khác nhau phân bố theo vành đai cánh cung kéo dài gần 100km, khởi đầu từ xã Phú Hữu – huyện An Phú, qua xã Vĩnh Tế – thị xã Châu Đốc, bao trùm lên gần hết diện tích 2 huyện Tịnh Biên và Tri Tôn, về tận xã Vọng Thê và Vọng Đông rồi dừng lại ở thị trấn Núi Sập huyện Thoại Sơn

Dạng địa hình đồng bằng: bao gồm toàn bộ phần còn lại của tỉnh có diện tích tự

nhiên khoảng 307 ngàn ha (chiếm 90% diện tích toàn tỉnh), được chia thành 2 vùng: • Vùng cù lao: gồm 4 huyện nằm kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu có tổng diện tích tự

nhiên 103 ngàn ha, chiếm 30% diện tích tự nhiên toàn tỉnh • Vùng đồng bằng Tứ Giác Long Xuyên: gồm toàn bộ thành phố Long Xuyên, thị xã

Châu Đốc, các huyện: Châu Phú, Châu Thành, Thoại Sơn và phần đất thấp còn lại của 2 huyện Tri Tôn và Tịnh Biên với tổng diện tích tự nhiên 204 ngàn ha, chiếm 60% diện tích tự nhiên toàn tỉnh

xóa bỏ hết các lò gạch thủ công, nên nhu cầu chuyển đổi sản xuất gạch nung bằng lò thủ công sang các kiểu lò có hiệu quả và năng suất cao, ít ô nhiễm môi trường là rất cần thiết

Độ ồn (dBA)

Hình 2.4:Biểu đồ biểu diễn độ ồn khu vực sản xuất gạch 2010 - 2011

Qua biểu đồ cho thấy độ ồn tại khu lò gạch Bình Mỹ và Nhơn Mỹ trong tháng 9 cao hơn tiêu chuẩn, gấp 1,2 và 1,07 lần tiêu chuẩn, hầu hết có giá trị giảm so với năm 2010, nguyên nhân có thể do thời điểm lấy mẫu trùng với lúc đang xếp dỡ gạch từ lò ra hay ngược lại hay sự di chuyển của các xe vận chuyển gạch

Bụi (mg/m3)

Hình 2.5: Biểu đồ biểu diễn bụi khu vực sản xuất gạch 2010 - 2011

Nồng độ bụi xung quanh tại các vị trí lấy mẫu thuộc lò gạch thấp hơn tiêu chuẩn, hầu hết đều giảm so với năm 2010

00.050.10.150.20.250.30.35

201020110

102030405060708090

Độ ồn (dBA) tại các lò gạch năm 2010 - 2011

20102011

HF (mg/m3)

Hình 2.6:Biểu đồ biểu diễn HF khu vực sản xuất gạch 2010 – 2011

Qua biểu đồ nhận thấy, khu vực lò gạch An Châu có HF nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 06:2009 qua 2 đợt quan trắc Riêng khu lò gạch Bình Mỹ và Nhơn Mỹ có nồng độ HF trong môi trường không khí xung quanh khu vực vào đợt quan trắc tháng 3/2011 có giá trị vượt tiêu chuẩn: Bình Mỹ vượt 1,37 lần, Nhơn Mỹ vượt 1,48 lần Nguyên nhân vì đây là các lò gạch thủ công, sự cháy diễn ra không hoàn toàn sẽ xuất hiện HF trong khí thải (đối với sử dụng trấu làm nhiên liệu)

CO, NO2, SO2 (mg/m3)

Hình 2.7:Biểu đồ biểu diễn CO, SO2, NO2 khu vực sản xuất gạch năm 2010 – 2011 Qua các biểu đồ cho thấy, môi trường không khí xung quanh các khu sản xuất gạch chưa có dấu hiệu ô nhiễm bởi CO, SO2, NO2 Tuy nhiên, các giá trị này có xu hướng tăng so với cùng kỳ năm 2010

00.0050.010.0150.020.0250.030.035

tháng 3tháng 9tháng 3tháng 9tháng 3tháng 9

20102011