biogas

Phần 1 LỜI NÓI ĐẦU Môi trường có tầm quan trọng đặc biệt với con người, sinh vật và sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Sự bền vững của môi trường mang tính chất quyết định đối với chất lượng cuộc sống của con người. Các hoạt động kinh tế - xã hội có tác động rất lớn tới môi trường, bởi giữa môi trường và sự phát triển có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng cao và môi trường ngày càng bị ô nhiễm trầm trọng. Việt Nam đang trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước và ô nhiễm môi trường là không thể tránh khỏi. Tuy nhiên lâu nay việc xử lý ô nhiễm môi trường còn chưa được coi trọng hay xử lý còn chưa triệt để. Và mức chi phí để xử lý ô nhiễm môi trường hợp vệ sinh là rất cao, chưa phù hợp với nền kinh tế của nước ta hiện nay. Để có thể phát triển bền vững thì đi đôi với quá trình công nghiệp hoá hiện đai hoá, phát triển đất nước, chúng ta phải quan tâm đến việc tìm ra những phương pháp tối ưu nhất để bảo vệ môi trường. Xuất phát từ những vấn đề trên và nhận thấy tầm quan trọng của sự phát triển bền vững và môi trường em tiến hành nghiên cứu “Ô nhiễm môi trường và công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường chi phí thấp”. Nhằm đánh giá được thực trạng ô nhiễm môi trường tại Việt Nam và đề xuất đưa ra công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường chi phí thấp. 1 Phần 2 THỰC TRẠNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TẠI VIỆT NAM 2.1. Thực trạng ô nhiễm môi trường trên thế giới 2.2. Thực trạng ô nhiễm môi trường tại Việt Nam 2.3. Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường tại Việt Nam 2 Ph ần 3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CHI PHÍ THẤP 3.1. Biogas - Công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường do chất thải hữu cơ 3.1.1. Đặt vấn đề Nước ta là một nước nông nghiệp với hơn 1000 làng xã và gần 80% dân số sống ở nông thôn. Nền nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn trong nền kinh tế quốc dân, đóng góp hơn 1/3 tổng giá trị GDP cả nước. Nông nghiệp gồm hai ngành chủ đạo là trồng trọt và chăn nuôi. Mối quan hệ giữa hai ngành này đã được con người biết đến từ bao đời nay. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh như vũ bão của cuộc cách mạng xanh và cách mạng khoa học công nghệ thì mối quan hệ này dường như bị lãng quên. Những hỗ trợ từ ngành chăn nuôi như: sức cày kéo, phân bón… đã được thay thế bằng những máy móc và phân bón hoá học. Trong khi đó những phế phẩm từ trồng trọt và chăn nuôi lại không được tận dụng và bổ trợ cho nhau. Kết quả của việc phủ nhận mối quan hệ này đã dẫn đến tình tạng lãng phí, kém hiệu quả kinh tế gây ô nhiễm môi trường sống. Những nguồn chất thải từ nông nghiệp cũng đã góp phần làm ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, không khí. Ngoài ra, nơi chứa chất thải là những nơi phát sinh, phát triển và phát tán các mầm bệnh và dịch bệnh gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và vật nuôi. Cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, khoa học kĩ thuật, yếu tố sức khoẻ, môi trường sống của con người ngày càng được chú trọng hơn. Để đáp ứng những nhu cầu này chúng ta đã và đang có những biện pháp xử lý các chất phế thải trước khi thải ra môi trường nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khoẻ cho con người. Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu vấn đề xử lý, quản lý chất thải nông nghiệp. Một trong những nghiên cứu đem vào ứng dụng trong thực tế đó là xử lý chất thải sbằng cách lên men yếm khí tạo nguồn khí sinh học (Biogas ). Đây là phương pháp vừa đơn giản, vừa hiệu quả vì nó có thể biến các chất hữu cơ thành phân bón cho cây trồng. Đồng thời dùng khí sinh vật để thắp sáng, đun nấu, chạy động cơ, giải quyết một phần vấn đề năng lượng. Vì vậy góp phần trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm do chất thải hữu cơ thì bioga được coi là biện pháp đơn giản, hiệu quả nhất. 3 3.1.2. Khái niệm 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. Khí Biogas là khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí (còn gọi là kỵ khí). Thành phần Khí Biogas : CH4, CO2, N2 ,H2, H2S …, trong đó CH4, CO2 là chủ yếu. Biogas được xem như là một loại năng lượng sinh học có được từ sự nén hoặc khữ (digestion) hay lên men (fermentation) trong điều kiện yếm khí (anaerobic) của những vật chất có nguồn gốc hữu cơ như phân chuồng, bùn (sludge) trong hệ thống cống rãnh), rác phế thải gia cư, hoặc các loại rác hữu cơ có thể bị sinh phân huỷ (biodegradable waste). Các biogas chính yếu trong những điều kiện kể trên gồm khí methane và khí carbonic (CO2) và một số khí thải khác như nitrogen (N2), Hydrogen (H2), hydrogen sulphide (H2S) và oxygen (O2). Tuỳ theo nguồn gốc phát sinh ra khí , những loại năng lượng sinh học có nhiếu tên khác nhau như: khí ẩm ướt (swamp gas), khí ẩm từ cây cỏ (marsh gas), khí bãi rác (landfill gas), và khí nén (digester gas). Trong tất cả khí phát thải qua phương pháp nén yếm khí (anaerobic digestion), methane là khí hữu dụng nhất , là một loại năng lượng tái tạo cho việc chạy xe, hay chạy máy phát điện. Methane còn dùng trong việc nấu ăn, đốt lò sưởi, làm đèn , hay tạo ra sức nóng v.v… Sau đây là vài số liệu về mức sản xuất khí biogas. 22 quốc gia trong Liên Hiệp Âu Châu (EU) năm 2006 đã sản xuất 62.000 GWh, trong đó 32.000 GWh đến từ khí bãi rác và 11.000 đến từ khí ẩm ướt từ bùn trong hệ thống cống rãnh. Có 17.000 GWh đã được hoán chuyển thành điện năng. Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh. Tại Hoa Kỳ, lượng biogas sản xuất chiếm 6% khí đốt thiên nhiên sử dụng cho toàn quốc vào năm 2006, tương đương 10 tỷ Gallons xăng. Ngày 4/8/2007 vừa qua quốc hội Hoa Kỳ mới vừa mang dự luật Khuyến khích sản xuất khí sinh học 2007 (Biogas Production Incentive Act 2007) nhằm mục đích: 1- dùng quỷ dự trử nông nghiệp để trả cho nhà sản xuất khí sinh học trước năm 2013; 2- tạo điều 4 kiện thuận lợi cho việc vay nơ đầu tư, trợ cấp cho những nhà sàn xuất mới…Từ đây, dự luật một khi thành luật sẽ khuyến khích nông dân đẩy mạnh các dự án biến phế thải thành khí sinh học, giảm thiểm một số lượng không nhỏ trong việc sử dụng năng lượng và hạn chế sự hâm nóng toàn cầu qua việc giảm thiểm khí carbonic thải hồi vào không khí. 3.1.3. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Biogas Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được : H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan ). 3.1.3.1. Phương pháp kỵ khí Phương pháp nén kỵ khí là một phương pháp dựa theo nguyên tắc phân huỷ sinh học của những vật chất hữu cơ trong điều kiện không có không khí. Do đó hệ thống nén yếm khí được chế tạo để khử tất cả phế thải hữu cơ, bùn hữu cơ, cùng phân chuồng để cho ra khí methane và một số khí khác. Những đặc tính chính - Phân hủy sinh học yếm khí gồm một chuỗi quá trình vi sinh học chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thành khí methan. Quá trình tạo ra khí methan là một hiện tượng thông thường trong một số môi trường tự nhiên khác nhau, như băng sơn, các lớp trầm tích, đầm lầy, dạ dày các loài ăn cỏ hay ở các giếng dầu. Quá trình hình thành khí methan của vi sinh tự nhiên được phát hiện từ hơn một thế kỷ trước. Các cơ thể vi sinh liên quan đến quá trình hiếu khí, yếm khí hầu hết đều từ vi khuẩn. - Phân hủy yếm khí đã được sử dụng từ rất lâu trong ổn định các chất bùn thải. Tuy nhiên trong những năm gần đây, nó mới được dùng để xử lý nước thải. Điều này đã có thể trở thành một sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình vi sinh học này và thông qua các cải tiến trong thiết kế các bồn phản ứng. Lượng khí sinh học sản xuất tuỳ theo nguyên uỷ của phế thải và phương pháp lên men, điều kiện nhiệt độ, các chủng loại lò khữ yếm khí, và thời gian phản ứng (retention time). Điều kiện tối ưu cho mức sản xuất khí là ở nhiệt độ 33 0 C và thời gian phản ứng là 100 ngày. Bản chất của phương pháp kỵ khí là các chất thải được phân hủy nhờ các vi sinh vật trong điều kiện hoàn toàn không có oxy. 5 Sơ đồ quá trình phương pháp kỵ khí Quá trình phân huỷ kị khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ cao phân tử được được vi khuẩn lên men và thuỷ phân chuyển thành các chất có trọng lượng thấp hơn axit hữu cơ, đường, glyxerin, (gọi chung là hydrat cacbon). Nhờ vào VSV các hydrates carbon à acid có phân tử lượng thấp (C 2 H 5 COOH, C 3 H 7 COOH, CH 3 COOH …) và pH môi trường ở dưới 5 nên gây thối. Chất hữu cơ đơn giản (ALBUMOZ PEPIT,GLYXERIN, A.BÉO) (PROTEIN, A.AMIN, LIPID) Vi khuẩn Closdium bipiclobacterium, bacillus gram âm không sinh bào tử, staphy loccus. 6 Giai đoạn2: Các hydrat cacbon (axit hữu cơ, đường, rượu, axit amin, peptit, glyxerin .) được vi khuẩn Acetogenic chuyển thành H 2 , CO 2 , Axetat và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase. CxHyOz → Các axit hữu cơ, H 2 , CO 2 Bảng các vi khuẩn tham gia Giai đoạn 2 Vi khuẩn Sản phẩm (acid) tạo được Bacillus cereus Bacillus knolkampi Bacillus megaterium Bacterodies succigenes Clostridium carnefectium Clostridium cellobinharus Clostridium dissolves Clostridium thermocellaseum Pseudomonas Ruminococcus sp A.axetic, A.lactic A.axetic, A.lactic A.axetic, A.lactic A.axetic, A.sucinic A.formic, A. axetic A.lactic, Etanol, CO2 A.formic, A.axetic A.lactic, A.sucinic, Etanol A.formic, A.axetic, A.lactic, A.sucinic, Etanol A.formic, A.axetic,A.sucinic Giai đoạn 3: l à pha acid, sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân huỷ ở giai đoạn này tạo ra hỗn hợp khí : CH 4 , CO 2 , H 2 S, N 2 , H 2 , và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm). Đây là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn metan để chuyển hầu như toàn bộ các chất hydrat cacbon, H 2 , CO 2 , Axetat . thành CH 4 và CO 2 .Các phương trình phản ứng hoá học của giai đoạn 3 nhờ vi khuẩn metan. CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O 7 4CO + 2 H 2 → CH 4 + 3CO 2 4HCOOH → CH 4 + 3CO 2 + 3H 2 O 4CH 3 OH → 3 CH 4 + 2H 2 O + CO 2 CH3COOH → CH 4 + H 2 O Bảng các vi khuẩn tham gia Giai đoạn 3 Vi khuẩn Sản phẩm cơ chất Methanobacterium omelianskii Methanopropionicum Methanoformicum Methanosochngenii Methanosuboxydans Methanosarcina barkerli Methanococcusvanirielli Methanorumin anticum Methanococcusmazei Methanosarcinamethanica CO2, H2, rượu bậc I và rượu bậc II A.Propionic H2,CO2, A.formic A.acetic Acid(butyric,valeric, capropionic) CO2, H2, A.acetic, Metanol H2, A.formic H2, A.formic Acid( acetic, butyric ) Acid( acetic, butyric ) 8 Sơ đồ phương pháp kỵ khí (Quá trình lên men metan) 3.1.3.2. Các phản ứng của quá trình lên men kỵ khí  Các phản ứng hoá học của quá trình lên men kỵ khí Cao p.tử à CO 2 + H 2 + CH 3 COO - + C 2 H 5 COOH + C 3 H 8 COOH CH 3 COO- + H 2 O à CH 4 +HCO 3 - + Q 4 H 2 + HCO 3 - + H 2 O à CH 4 + H 2 O + Q 9  Các phản ứng sinh hoá xảy ra trong quá trình lên men kỵ khí Phương trình Năng luợng 4H 2 + H+ + HCO 3 - à CH 4 + 3H 2 O TỪ FORMIATE 4HCOOH à CH 4 + 3HCO 3 - + 3H + HCOOH à H 2 + CO 2 TỪ ACETATE CH 3 COO- +H 2 O à CH 4 +3HCO 3 - TỪ PROPIONATE C 2 H 5 COO - + 2H 2 O à CH 3 COO - + 3H 2 + CO 2 C 2 H 5 COO - + 2H 2 O à 7/4 CH 3 COO - + 5/4 H 2 O + 3/2 H 2 O METHANOL 4CH 3 OH + H 2 O à CH 3 COO- + 3H+ + H 2 O ETHANOL C 2 H 5 OH +H 2 O à CHCOO- + 5H 2 + CO 2 + H + C 2 H 5 OH + H 2 O à 3/2CH 4 +1/2CO 2 +H 2 O PROPANOL C 3 H 7 OH +3H 2 O à CH 3 COO- +5H 2 +CO 2 + H + C 3 H 7 OH +3H 2 O à 9/4CH 4 + 3/4CO 2 + 5/2H 2 O -136 -130 -30 +80 -53 -314 +2 -96 +84 -118 3.1.4. Các vi sinh vật trong bể Biogas Các nhóm vi sinh, hầu hết là vi khuẩn, đều tham gia vào việc chuyển hoá các hợp chất hữu cơ cao phân tử phức hợp thành khí metan. Thêm vào đó là sự tương tác đồng bộ giữa các nhóm vi khuẩn liên quan đến quá trình phân hủy yếm khí các chất thải. Mặc dù có thể có sự hiện diện của một số nấm và nguyên 10 [...]... trong hệ thống cống rãnh Có 17.000 GWh đã được hoán chuyển thành điện năng Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh.Tại Hoa Kỳ, lượng biogas sản xuất chiếm 6% khí đốt thiên nhiên sử dụng cho toàn quốc vào năm 2006, tương đương 10 tỷ Gallons xăng 26 Một Vài hình ảnh về ứng dụng công nghệ Biogas 27 28 3.1.11 Ưu điểm - Nh ư ợc đi ểm 3.1.11 1 Ưu điểm - Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2... 20 3.1.6 Làm sạch khí Biogas Loại trừ CO2: dùng KOH, NaOH, Ca(OH) 2 NaOH + CO2 à Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O à NaHCO3 Ca(OH)2 + CO2 à CaCO3 + H2 Loại trừ H2S : dùng Na2CO3 hoặc hợp chất sắt H2S + Na2CO3 à NaHS + NaHCO3 Loại trừ bùn trong bể phân huỷ bằng P.PHÁP IRONFILING (MẠT SẮT) Fe2O3 + 3H2S à Fe2S3 + H2O *Phục hồi Fe2O3 : 2Fe2S3 + 3O2 à 2Fe2O3 + 3S2 3.1.7 Thiết kế hầm Biogas  Lựa chọn loại... tuổi thọ hơn 20 năm Chi phí xây dựng mỗi hầm khoảng hơn 3 triệu đồng  Thiết kế hầm Biogas (quy mô vừa) 1 Lựa chọn nền móng: tùy vào khí hậu, đất, nước ngầm 2.Dung tích của hầm: dựa vào lượng khí cần cho việc tiêu thụ và khí được dùng ra sao Đảm bảo 1,5-2m3 / người 3.Tính toán – Thiết kế 21 Đưa ra hình mẫu cho hầm Biogas (quy mô vừa) 3.1.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men Quá trình phân... nguyên liệu Ø Có mặt không khí và độc tố 3.1.9 Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu trước khi ủ Biogas 3.1.9.1 Nguyên liệu Nguồn nguyên liệu là phế liệu, phế thải trong sản xuất nông, lâm nghiệp, và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến nông lâm sản Phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện nay trong các hầm Biogas của nước ta 23 Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc, gia cầm tuỳ... trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1/20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon Một vài hình ảnh của nhóm vi khuẩn sinh khí metan 15 16 3.1.5 Kỹ thuật Biogas Có 2 loại hầm biogas chính : • Loại hầm gây men chất hữu cơ theo mẻ • Loại hầm gây men chất hữu cơ liên tục 3.1.5.1 Gây men chất hữu cơ theo mẻ 3.1.5.1 Gây men chất hữu cơ liên tục 17 • Loại hấm sinh khí... nguồn phân bón hữu cơ rất thích hợp trong việc trồng tỉa - Công nghệ Biogas sử dụng nguồn nguyên liệu là các phế thải, chất thải hữu cơ được tận dụng trong quá trình sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, sản xuất nghành công nghiệp chế biến, công nghiệp thực phẩm tránh lãng phí đem lại hiệu quả kinh tế cao - Hầm khí sinh học bền vững (Biogas) có khả năng cung cấp lượng khí liên tục cho 2 bếp đun nấu và... không nhỏ cho môi trường nữa là, hệ thống sinh khí sẽ giải toả được diện tích phế thải và tạo thêm nguồn thu nhập mới cho nông dân - Công nghệ Biogas sử dụng nguồn nguyên liệu là các phế thải, chất thải hữu cơ là nguồn gây ô nhiễm môi trường trực tiếp Công nghệ Biogas là giải pháp tối ưu nhất cho việc giải quyết ô nhiễm môi trường với chi phí thấp ở khu vực nông thôn nghèo - Tình trạng năng lượng ngày... nó trước khi chuyển phần việc còn lại cho nhóm khác v.v Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân sử dụng và điều kịên nhiệt độ Có một số nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn thủy phân, Nhóm vi khuẩn tạo axít gây lên men, Nhóm vi khuẩn tạo axít gây lên men, Nhóm vi khuẩn tạo Aceton, Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và Nhóm vi khuẩn sinh khí metan... hầm (loại đất, loại đá,…)  Quy mô của hầm tùy thuộc vào yêu cầu, điều kiện của người xây dựng, cũng như lượng nguyên liệu cung cấp có phong phú hay không Hầm khí sinh học bền vững là một loại thiết bị Biogas kiểu mới được xây dựng bằng gạch có dạng cuốn vòm có thể tích chứa 5 m 3 phân gia súc gồm bể phân hủy phân và nước thải, bộ phận tích khí và điều khí, bể điều áp Hầm có khả năng cung cấp lượng khí... năm Chi phí xây dựng mỗi hầm khoảng hơn 3 triệu đồng Chi phí thấp, tận dụng được nguồn phế thải giúp đem lại hiệu quả kinh tế cao đặc biệt là ở các khu vực nông thôn nghèo - Hầm khí sinh học bền vững (Biogas) có nhiều ứng dụng trong cuộc sống trên quy mô nhỏ, vừa và trên quy mô lớn đem lại nhiều lợi ích kinh tế cao Tại Hoa kỳ tính đến năm 2006 đã có 380 bãi rác lớn có hệ thống thu hồi khí methane và . yếm khí (còn gọi là kỵ khí). Thành phần Khí Biogas : CH4, CO2, N2 ,H2, H2S …, trong đó CH4, CO2 là chủ yếu. Biogas được xem như là một loại năng lượng sinh. chuyển thành điện năng. Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh. Tại Hoa Kỳ, lượng biogas sản xuất chiếm 6% khí đốt thiên nhiên sử dụng