nghiên cứu sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT HÀ NỘI- AMSTERDAM ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT BIOGAS TRONG ĐIỀU KIỆN THIẾU NƯỚC Lĩnh vực: HÓA SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Giáo viên: Đào Nguyễn Thu Hà - Đơn vị công tác: Trường THPT Hà Nội Amsterdam TÁC GIẢ: 1. Phạm Đức Thắng Lớp:12 Toán 1 Trường:THPT Hà Nội Amsterdam 2. Nguyễn Tùng Sơn Lớp:12 Toán 1 Trường:THPT Hà Nội Amsterdam Hà Nội, tháng 12 năm 2013 1 1 MỤC LỤC PHẦN I: Lí do lựa chọn đề tài 2 PHẦN II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu và điểm mới, sáng tạo của đề tài 3 Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 4 1. Tổng quan 1.1. Tình hình năng lượng tái tạo ở Việt Nam 4 1.2. Lợi ích của công nghệ sản xuất biogas 4 1.3. Tiềm năng của công nghệ sản xuất biogas 7 2. Cơ sở sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước 2.1. Các giai đoạn trong sản xuất biogas thông thường 9 2.2. Cơ sở sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước 13 3. Các thành phần trong sản xuất biogas thiếu nước 3.1. Phân động vật 14 3.2. Thực vật 15 3.3. Men 15 4. Thí nghiệm 16 4.1. Các bước làm thí nghiệm 16 4.2. Thí nghiệm và kết quả 18 PHẦN IV. Kết luận 21 Tài liệu tham khảo 22 2 2 Phần I: Lí do lựa chọn đề tài Cung cấp năng lượng cho các vùng có điều kiện khắc nghiệt đang là vấn đề cấp thiết hiện nay. Ở các vùng núi cao, việc năng lượng đến với mọi nhà là một vấn đề nan giải, bởi sự khó khăn trong giao thông cũng như khí hậu khắc nghiệt. Do đó, cần có một nguồn năng lượng tại chỗ, sạch và đảm bảo sự ổn định cho việc cung cấp lâu dài cho người dân. Việc sử dụng biogas trong sinh hoạt đang trở nên phổ biến hiện nay ở các hộ gia đình ở nông thôn. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất biogas, lượng nước cần sử dụng là khá lớn. Với cách làm hiện tại, nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất biogas có tỉ lệ phân: nước là 1:3 (với phân khô) và 1:1 đến 1:2 với phân tươi. Điều này vừa ảnh hưởng tới nguồn nước sinh hoạt của người dân, vừa là một yếu tố ngăn cản sự phát triển và lan rộng của mô hình biogas, đặc biệt là ở những vùng khô hạn trên đất nước Việt Nam. Do đó, nhóm chúng em đã phát triền đề tài: Sản xuất biogas trong môi trường thiếu nước. 3 3 Phần II: Tổng quan về nghiên cứu và điểm mới, sáng tạo của đề tài Tổng quan: - Phương pháp: Trộn phân tươi của trâu bò với nước, thêm một số loại thực vật và men vi sinh vật trong bình ủ. Sau một thời gian, tiến hành xác định thành phần khí trong hỗn hợp khí tạo thành. - Cách làm này yêu cầu số lượng thí nghiệm nhiều, thời gian làm mỗi thí nghiệm là lớn (khoảng 21 ngày). - Ứng dụng của đề tài: Cho người dân ở những vùng khô hạn (điển hình là vùng núi tây bắc, đông bắc) có thể tiếp cận được với biogas, phục vụ cho việc đun nấu và các sinh hoạt khác. Điểm mới, sáng tạo của đề tài: 1. Sử dụng nguyên liệu là phân tươi (hàm lượng nước lớn) đề thay thế một phần lượng nước cần cung cấp cho quá trình sản xuất biogas. 2. Sử dụng thêm một số loài thực vật (chứa nhiều nước) để thay thế một phần lượng nước cần cung cấp cho quá trình sản xuất biogas. 3. Sử dụng men vi sinh để rút ngắn thời gian phân hủy của thực vật. 4 4 Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 1. Tổng quan 1.1. Tình hình năng lượng tái tạo ở Việt Nam Năng lượng tái tạo ở Việt Nam Từ những năm đầu của thập niên 60 của thế kỷ trước, NLTT đã bắt đầu được nghiên cứu ở Việt Nam nhưng phải đến tận những năm cuối của thập niên 90 trở lại đây việc nghiên cứu ứng dụng cho mục đích cung cấp năng lượng nói chung và điện năng nói riêng phục vụ sinh hoạt và các hoạt động sản xuất ở nông thôn mới được quan tâm và phát triển. Một số dạng NLTT chính được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ta như : năng lượng mặt trời (NLMT), năng lượng gió (NLG), năng lượng sinh khối (NLSK), năng lượng địa nhiệt (NLĐN), năng lượng thuỷ triều… 1.2. Lợi ích của biogas mang lại. Giải quyết vấn đề chất đốt,lợi ích xã hội Việc phát triển khí sinh học là một bước tiến quang trọng để tiến tới giải quyết vấn đề thiếu chất đốt ở nông thôn. Sử dụng biogas, một chất đốt thu được từ các nguồn sinh vật dồi dào trong tự nhiên, là một nguồn thay thế cho các nhiên liệu rắn như than và củi là một sáng tạo kỹ thuật quan trọng không chỉ giải quyết chất đốt cho nông dân và các dân cư ở nông thôn mà còn tiết kiệm được một lượng lớn than cho quốc gia. Phát triển biogas còn giải quyết được một số vấn đề nảy sinh khác do thiếu chất đốt giúp giảm nhu cầu đun củi và giảm được nạn phá rừng và tăng thêm diện tích rừng. Kích thích sản xuất nông nghiệp Phát triển biogas là một con đường quan trọng để kích thích sản xuất nông nghiệp, biogas làm tăng đáng kể số lượng và chất lượng phân hữu cơ, phân người và súc vật, rơm rạ và chất thải thực vật, các loại lá cây đều có thể trở thành phân 5 5 bón sau khi lên men qua phân hủy ở những hầm biogas đậy kín không khí. Thay vì trước kia sau khi thu hoạch có thể mang rơm về nhà làm chất đốt thì bây giờ rơm được có thể mang về ủ trong hầm biogas vừa lấy được khí gas để sử dụng mà lại có phân để bón cho ruộng, bã thải biogas còn dùng làm thức ăn khô cho gia súc,các thành phần dinh dưỡng trong bã thải của biogas đã được tăng lên rất nhiều lần, Thành phần nitơ của chúng được chuyển thành amoniac dễ dàng hấp thụ hơn đối với các cây trồng, như vậy cải thiện được phân bón. Theo kết quả nghiên cứu của các viện nông nghiệp thì thành phần amoniac của phân hữu cơ được ủ men trong 30 ngày ở một hầm biogas đã tăng lên 19.3% và thành phần photphat hưu ích tăng lên 31.8%.ủ kín phân hữu cơ này trong các hầm biogas cũng ngăn cản được sự bốc hơi và mất mát amoniac. Phân được ủ trong các hầm biogas đã chứng tỏ làm tăng năng suất nông nghiệp. theo thực nghiêm, năng suất ngô có thể tăng 28%.lúa nước tăng 10% . lúa mì tăng 12,5% . bông tăng 24,7%. Các thân cây, các loại cỏ dại mọc ở nước, lá cây và các chất thải khác đều là những vật liệu tốt cho việc sản xuất biogas . Người nông dân có thể tích trữ được các vật liệu này để đưa vào hầm biogas trong bất kỳ thời gian nào, do vậy làm tăng nguồn phân bón cho cây trồng. Biogas và vấn đề cơ giới hóa nông nghiệp Phát triển biogas cũng có thể tạo nên một nguồn nhiên liệu mới cho việc cơ giới hóa nông nghiệp. Hiện nay, ở một số quốc gia trong đó có Việt Nam, biogas được dùng với số lượng lớn không chỉ để nấu ăn, thắp sáng, mà còn để kéo các máy nông nghiệp. Biogas được dùng như một loại nhiên liệu chất lượng cao để nấu ăn và thắp sáng, cũng như cơ giới hóa, điện khí hóa nông nghiệp: biogas được dùng để chạy các máy phát điện công suất nhỏ quy mô hộ gia đình, và một số động cơ khác. Như máy cày công xuất nhỏ đặt gần các bể khí biogas và có dây dẫn nạp khí liên tục cho máy, hoặc là có các bình trữ khí cỡ nhỏ lắp trên máy. 1.3. Tiềm Năng của Biogas 6 6 1.3.1. Tiềm năng Biogas trên thế giới Việc giá dầu thô liên tục tăng đã gây sức ép đối với các nhà khoa học thế giới trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới. Và biogas hiện đang được coi là một lời giải hoàn hảo cho bài toán kinh tế đồng thời cũng làm vừa lòng các nhà hoạt động môi trường. Các nhà môi trường học đã kết luận, quá trình sản xuất biogas giảm tới 40% khí thải cacbonic do được sản xuất thông qua quá trình phân huỷ các chất thải hữu cơ của ngành nông nghiệp, lâm nghiệp và các hoạt động sinh hoạt của con người. Năm 1884, nhà Bác học Pháp Louis Pasteurs tiên đoán: "Biogas sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế cho than đá trong tương lai". Nhưng tới khi khoa học kỹ thuật phát triển như ngày nay, biogas mới bắt đầu được chú ý. Nguyên nhân quan trọng thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu tới biogas là cách thức và nguyên liệu để sản xuất ra nó. 1.3.2. Tiềm năng Biogas tại Việt Nam Hình 1.1: Hệ thống sản xuất Biogas 7 7 Bởi 80% dân số Việt Nam sống ở nông thôn, nên nguồn khí biogas được xem là rất dồi dào. Đây là vấn đề quan trọng trong việc tiết kiệm nguồn năng lượng dầu mỏ hiện nay. Bảng 1.1: Tiềm năng biogas tại Việt Nam Nguồn nguyên liệu Tiềm năng (triệu m 3 ) Dầu tương đương (triệu TOE) Tỉ lệ (%) Phụ phẩm cây trồng 1788,973 0,894 36,7 1. Rơm rạ 2. Phụ phẩm các cây trồng khác 1470,133 318,840 0,735 0,109 30,2 6,5 Chất thải của gia súc 3055,678 1,525 63,3 1. Trâu 2. Bò 3. Lợn 441,438 495,864 2118,376 0,221 0,248 1,059 8,8 10,1 44,4 Tổng 4844,652 2,422 100,0 Tuy hiện tại, giá thành biogas vẫn cao hơn so với các loại nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ, nhưng với tình hình giá dầu thô tăng cao như hiện nay, khoảng cách đó sẽ dần bị thu hẹp trong tương lai. Việc sử dụng biogas không chỉ giải quyết vấn đề năng lượng, mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đây là nguồn năng lượng tái sinh làm giảm hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Tại Việt Nam, việc tìm kiếm những nguồn nhiên liệu sạch với môi trường cũng đã được quan tâm nhiều hơn. Trong tương lai, rất có thể biogas cũng sẽ là một sự lựa chọn thực sự thân thiện với môi trường. 8 8 Nguồn khí sinh học (biogas) từ bãi rác chôn lấp, phân động vật, phụ phẩm nông nghiệp hiện mới đang được ứng dụng trong đun nấu. Lí do, đây là nguồn phân tán, ít sản xuất điện. Ước tính cả nước có chừng 35000 hầm biogas phục vụ cho đun nấu gia đình với sản lượng 500 – 1000 m 3 khí/ năm mỗi hầm. Tiềm năng lý thuyết của biogas ở Việt Nam là khoảng 10 tỉ m 3 / năm (1 m 3 khí tương đương 0,5 kg dầu). Hiện tại đang có một số thử nghiệmdùng biogas để phát điện. 2. Khái niệm và thành phần trong biogas 2.1. Khái niệm : Sản xuất biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh, để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất. Thành phần Biogas : Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được : H 2 , H 2 S, NH 3 , CH 4 , C 2 H 2 ,… trong đó CH 2 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan ). Tỉ lệ các thành phần của khí biogas như sau: Methane ( 4 CH ) 55 – 65% Carbon dioxide ( 2 CO ) 35 – 45% Nitrogen ( 2 N ) 0 – 3% Hydrogen ( 2 H ) 0 – 1% Hydrogen sulfide ( SH 2 ) 0 – 1% 2.2. Các giai đoạn trong sản xuất khí biogas 9 9 Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Carty, 1981) Ghi chú: 2.2.1. Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như compost, chất béo, carbohydrates, cellulose, lignin. Một vài loại ở dạng không hòa tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2. Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi các protein thành các amino axit, carbohydrates thành các đường đơn, chất béo thành các axit béo chuỗi dài. Tuy nhiên, các chất hữu cơ như là cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí. Bởi vì, lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn I sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố môi trường như là pH và nhiệt độ. 2.2.2. Giai đoạn 2: giai đoạn sinh axit Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hóa thành axit acetic, 2 H và 2 CO bởi vi khuẩn Acetogenic. Tỉ lệ của các sản phẩm này tùy thuộc vào hệ vi sinh vật trong hầm ủ và các điều kiện môi trường. 2.2.3. Giai đoạn 3: giai đoạn sinh Methane : Giai đoạn I : Thủy phân và lên men : Giai đoạn II : Tạo axit axetic, 2 H : Giai đoạn III : Sinh methane 10 10 [...]... lợn) Cây ráy Hàm lượng nước 92,4% 87-89% 88% Qua 2 bảng số liệu trên, lượng nước tích trữ trong phân động vật và ở một số bộ phận của các loại cây là khá lớn Nếu được phối trộn một cách hợp lí, lượng nước này có thể bù đắp cho lượng nước thiếu trong quá trình tạo biogas Qua đó, sản xuất biogas trong môi trường thiếu nước là khả thi 3 Các thành phần trong sản xuất biogas thiếu nước 3.1 Phân động vật... Thực vật 14 14 Sự khác biệt trong sản xuất biogas thông thường và sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước là sự xuất hiện của một số loại lá tạp nhằm bù cho lượng nước thiếu trong hầm ủ Thông tin về hàm lượng nước ở một số loại thực vật: Bảng 3.2 Hàm lượng nước trong một số loại thực vật Tên Cây chuối Cây ngũ vĩ (cây cứt lợn) Cây ráy Bộ phận Thân cây Lá cây Lá cây Hàm lượng nước 92,4% 87-89% 88% Các... Methanococcusmazei A.acetic, A.butyric Methanosarcinamethanic A.acetic, A.butyric 2.2 Cơ sở sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước - Lượng nước thiếu trong quá trình sản xuất biogas sẽ được bù đắp bằng lượng nước đã có sẵn trong phân tươi và những loại lá, thân của một số loại cây Từ đó, tỉ lẹ trộn phân /nước vẫn được đảm bảo Cụ thể: Ở chất thải của động vật: Loại phân Lợn Trâu bò Ngựa Gà Vịt H2... trị của biogas khoảng 4.500 – 6.000 kcal/ , tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong biogas Do đó hiệu quả trong sản xuất khí biogas là phần trăm methane trong hàm lượng khí sinh ra Để có hiệu suất năng lượng cao thì hàm lượng methane thường phải lớn hơn 50% 11 11 Một số chủng men sử dụng trong sản xuất biogas Giai đoạn 1: Các loại vi khuẩn Clodium Bipiclobacterium, Bacillus gran âm ko sinh... quá trình sản xuất biogas thường là phân người, phân gia súc, bùn, phế phẩm nông nghiệp Mặc dù một số nguyên liệu có thể sử dụng trực tiếp để làm phân bón hoặc chất đốt nhưng ta vẫn có thể dùng nó để sản xuất biogas mà vẫn giữ được các lợi ích khác Kết quả quan trộng nhất trong quy trình sản xuất là hàm lượng khí methane Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/ m3 m3 ) Do đó, nhiệt trị của biogas khoảng... thích quá trình tạo hơi nước tăng độ ẩm, sản sinh nhiều VSV kích thích sinh khí biogas tối đa cho quá trình lên men khí - Phân trâu bò tươi bản thân nó chứa nhiều loại VSV hoạt động cực mạnh để sản sinh ra lượng khí biogas rất tốt cho công nghệ biogas khô - Hàm lượng %CH4 đã đạt yêu cầu Hàm lượng CH4 ở các thí nghiệm có nhiều lá tạp thường thấp hơn ở các thí nghiệm cùng điều kiện nhưng ít lá tạp hơn... nghiệm, cho một ít men CRAIBE (men khô) rồi dùng đũa thuỷ tinh để trộn đều hỗn hợp Cuối cùng bịt đầu còn lại của bình bằng nút bình Thí nghiệm được đặt trong điều kiện tối ưu cho hoạt động của các loại men là nhiệt độ 26o C Điều kiện được giữ nguyên trong suốt quá trình làm thí nghiệm để đảm bảo sự tối ưu và chính xác khi so sánh các kết quả thí nghiệm Sau 20 ngày, bình thí nghiệm được lấy ra để đo... Lá cây ngũ vị (kg) Men CRIB E (kg) Nước cho thêm (L) 0,5 0,45 0,1 0,35 Tổng lượng nước (lá tạp + thêm) (L) 0,75 19 19 Tỉ lệ phân : nước 1: 1,5 Kết quả (sau khoảng 20 ngày) CH4 CO2 Các khí khác 62% 34,3% 3,7% 0,5 0,5 0,35 0 0,1 0,1 0,45 0,75 0,75 0,75 1: 1,5 1: 1,5 64,8% 65,7% 31,4% 30,5% 3,8% 3,8% Trong thí nghiệm 3, tỉ lệ phân: nước là 1:1,5 là tỉ lệ thích hợp nhất trong các thí nghiệm Hàm lượng CH4...Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển đổi thành methane và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn methane Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 CO2 H2 Các vi khuẩn methane sử dụng axit acetic, methanol, và để sản xuất methane trong đó axit acetic là nguyên liệu chính với từ 70% methane được sản CO2 H2 sinh... CRIB E (kg) Nước cho thêm (L) 0,3 0,2 0 0,1 0,1 0,1 0,25 0,35 0,5 Tổng lượng nước (lá tạp + thêm) (L) 0,5 0,5 0,5 Tỉ lệ phân : nước 1: 1 1: 1 1: 1 Kết quả (sau khoảng 20 ngày) Các CH4 CO2 khí khác 51,1% 45,1% 3,8% 53,7% 42,5% 3,8% 54,9% 41,4% 3,7% Ở thí nghiệm này, do đã tăng tỉ lệ trộn phâm: nước lên 1:1, hàm lượng CH4 đã cao hơn nhiều so với thí nghiệm 1 Thí nghiệm 3: Khi cho tỉ lệ phân: nước là 1:1,5 . công nghệ sản xuất biogas 7 2. Cơ sở sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước 2.1. Các giai đoạn trong sản xuất biogas thông thường 9 2.2. Cơ sở sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước 13 3 biệt trong sản xuất biogas thông thường và sản xuất biogas trong điều kiện thiếu nước là sự xuất hiện của một số loại lá tạp nhằm bù cho lượng nước thiếu trong hầm ủ. Thông tin về hàm lượng nước. biogas. Qua đó, sản xuất biogas trong môi trường thiếu nước là khả thi. 3. Các thành phần trong sản xuất biogas thiếu nước 3.1. Phân động vật Khái niệm : Phân dùng trong sản xuất biogas là các