TÁI SỬ DỤNG PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp bằng công nghệ sinh học .Phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp. Nguồn gốc: Phế phẩm nông nghiệp phát sinh trong quá trình chế biến các loại cây công nghiệp, cây lương thực, cây hoa màu, sản xuất hoa quả, thực phẩm,…Các phế phẩm nông nghiệp chủ yếu là vỏ trấu, mùn cưa, bả mía, rơm rạ… và các phế phẩm sinh ra từ hoạt động chăn nuôi, chế biến gia súc, gia cầm.

KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Bài báo cáo TÁI SỬ DỤNG PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

GVHD : TS Hồ Kì Quang Minh

Lớp : DCM115

Nhóm :2

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát sự hình thành và sử dụng biogas

Hình 2 2 Năng lượng sản sinh của một mét khối khí sinh vật

Hình 2 3Cấu tạo của hầm Biogas vòm cố định kiểu truyền thống

Hình 2.4Nguyên tắc hoạt động của bể biogas

Hình 2 5 Bảng vẽ thiết kế hầm ủ biogas phủ bạt HPDE

Hình 2 6 Quy trình sản xuất xăng sinh học

Hình 2 7 Quy trình giai đoạn tiền xử lý

Hình 2 8 Giai đoạn thủy phân sản xuất etanol

Hình 2 9 Sử dụng enzyme để thủy phân và lên men đồng thời

Hình 2 10 Qúa trình chưng cất sản xuất etanol

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp

- Nguồn gốc:

Phế phẩm nông nghiệp phát sinh trong quá trình chế biến các loại cây công nghiệp, cây lương thực, cây hoa màu, sản xuất hoa quả, thực phẩm,…Các phế phẩm nông nghiệp chủ yếu là vỏ trấu, mùn cưa, bả mía, rơm rạ… và các phế phẩm sinh ra từ hoạt động chăn nuôi, chế biến gia súc, gia cầm

- Phân loại:

o Bã nông nghiệp:

Là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái Các chất thải

NN bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu, mía,… Ở một số nơi, các chất bã được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất ở vụ mùa kế tiếp Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất cặn

bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng

o Chất thải từ chăn nuôi gia súc:

Chất thải từ chăn nuôi gia súc như phân trâu, bò, heo và gà có thể được chuyển thành khí gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng.Các chất thải gia súc tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methan và phân hủy yếm khí

Phế phẩm trong quá trình chế biến các loại cây công nghiệp, sản xuất hoa quả, thực phẩm, phân gia súc, gia cầm ngày càng đa dạng về chủng loại và phong phú về số lượng Mối lo ngại về các bãi chứa, đầu ra cho các phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía, phân gia súc …ngày càng tăng Điều này dẫn đến các vấn nạn về rác, đe dọa ô nhiểm môi trường cho cá tỉnh thành đang có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp

Do đặc thù sản xuất nông nghiệp nước ta hiện nay mang tính nhỏ lẻ, phân tán, nên việc thu gom phế thải rất khó khăn Còn các cơ sở chế biến nông sản, thực phẩm thì chủ yếu tập trung vào sản xuất chính, ít quan tâm đến tận thu, tái chế sử dụng lại phụ phẩm phế phẩm trong quá trình sản xuất Các phụ phẩm, phế phẩm thường được xư lý bằng các biện pháp chôm lấp, đốt bỏ, đổ xuống ao, hồ, sông, suối… vừa lãng phí, vừa gây ô nhiễm môi trường Chỉ có một phần nhỏ trong số

đó được sử dụng làm nhiện liệu đốt, thức ăn gia súc, phân bón

Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng lại phế thải nông nghiệp thành nguyên vật liệu phục vụ công nghiệp, xây dựng, đời sống sinh hoạt của người dân là việc làm hết sức cần thiết

1.2 Thực trạng phế phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

1.2.1 Rơm, rạ

Việt Nam là nước xuất khẩu lúa gạo đứng thứ hai trên thế giới.Từ năm 2002 đến nay, trung bình nước ta sản xuất trên 36 triệu tấn gạo/năm, tạo ra khoảng 27 triệu tấn rơm rạ

Bảng 1 Lượng rơm rạ thải ra của một số quốc gia trên TG

Bảng 1.Các nguồn sinh khối chính ở Việt Nam (2000)

 cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của rơm, rạ trong việc sử dụng làm nguồn nguyên liệu

Số rơm rạ sau mỗi vụ thu hoạch một phần được dùng làm thức ăn gia súc, một phần được chế biến làm phân bón, trồng nấm, lót hoa quả, đồ mỹ nghệ, làm chất đốt trong sinh hoạt, phần còn lại chủ yếu bị đốt bỏ ngay trên đồng ruộng gây lãng phí năng lượng và ô nhiễm môi trường

Hiện nay, khi người dân ngày càng hiểu rõ tác hại của việc đốt đồng đối với môi trường cũng như chính mãnh đất canh tác, cùng với việc thu mua rơm, rạ sau thu hoạch dùng cho chăn nuôi và các mục đích khác ngày càng nở rộ đã làm cho hiện tượng đốt đồng ngày càng giảm đi.Việc bán rơm, rạ ở ĐBSCL đã diễn ra từ nhiều năm nay.Rơm, rạ bây giờ không chỉ được sử dụng để làm nấm rơm như trước mà còn được tận dụng làm rất nhiều thứ từ chăn nuôi đến ủ gốc cây, lót trái cây… nên giá cao và nhiều lúc bán chạy

hơn cả lúa.Ước tính lái thương mua rơm với giá từ 70.000 - 80.000 đồng/công (1 công 1.000 m2).Với mức giá này, người nông dân cho rằng bán rơm, rạ còn lãi hơn cả bán lúa

Năm 2009, dự án JICA-JST Biomassdo Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) và Bộ Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST) tài trợ đã xây dựng một mô hình thiết bị tại Trường ĐH Bách khoa TP.HCM để nghiên cứu, sản xuất xăng sinh học Sau gần 5 năm thực hiện, các nhà khoa học đã nghiên cứu, sản xuất thành công xăng sinh học

từ rơm rạ và các chất thải có nguồn gốc xenlulo Tuy nhiên, một trong những khó khăn của dự án là giá thành xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ khá cao, do chi phí phân hủy xenlulo trong rơm rạ lớn, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nỗ lực nghiên cứu nhằm hạ giá thành sản phẩm

1.2.2 Chất thải từ chăn nuôi gia súc

Chăn nuôi đóng góp khoảng 40% tổng GDP nông nghiệp.Tuy nhiên, bên cạnh việc sản xuất và cung cấp một lượng lớn sản phẩm cho nhu cầu của con người, ngành chăn nuôi cũng đã gây ra nhiều hiện tượng tiêu cực về môi trường Ngoài chất thải còn có các khí thải gây hiệu ứng nhà kính như CO2 , CH4 , N2O,… chăn nuôi hiện đang đóng góp tới 18% trong sự nóng lên của trái đất

Ngày nay, ngành chăn nuôi nước ta đang có những dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nông hộ sang chăn nuôi trang trại, công nghiệp; từ chăn nuôi nhỏ lẻ lên chăn nuôi quy mô lớn

Số liệu của Tổng cục thống kê, năm 2014 đàn lợn nước ta có khoảng 26,76 triệu con, đàn trâu bò khoảng 7,75 triệu con, đàn gia cầm khoảng 327,69 triệu con

Từ số đầu gia súc, gia cầm đó có quy đổiđược lượng chất thải rắn (phân chất độn chuồng, các loại thức ăn thừa hoặc rơi vãi) đàn gia súc, gia cầm của thải ra khoảng trên

76 triệu tấn, và khoảng trên 30 triệu khối chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước từ sân chơi, bãi vận động, bãi chăn)

Vì vậy, cần có biện pháp xử lí tốt để tránh gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

và con người

Chất thải chăn nuôi gia súc một phần được sử dụng để làm phân bón.Việc sử dụng năng lượng từ chất thải trong chăn nuôi gia súc đã có từ lâu nhưng vẫn ở quy mô hộ gia đình là chủ yếu bằng hệ thống biogas

Hình 1 Mục đích sử dụng của chất thải chăn nuôi

Cũng trong Dự án JICA-JST, với mục đích Xây dựng thị trấn sinh khối đầu tiên tại Việt Nam, dự án biogas từ phân bò đã triển khai thành công ở xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM Kỹ thuật làm sạch và làm giàu khí mê tan trong biogas đã được phát triển và ứng dụng trên quy mô nhỏ

Biogas 41%

Nuôi cá 11%

Ủ phân 20%

Bán 11%

Chất thải chăn nuôi

Môi trường 17%

CHƯƠNG 2: TÁI SỬ DỤNG PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

.1 Biogas

.1.1Khái niệm và thành phần

Biogas hay còn gọi là khí sinh học (KSH), là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ

sự phân huỷ những chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan (CH4)

Biogas là viết tắt từ Biological Gas, là khí sinh ra từ quá trình phân hủy xác động thực vật, thành phần gồm có:

- Metan (CH4 ): 50% - 75%

- Carbon dioxide (CO2 ): 25% - 50%

- Nitrogen (N2 ): 0% - 10%

- Hydrogen sulfilde (H2S): 0% - 3%

- Oxygen (O2 ): 0% - 2%

Chất thải của động vật (phân, nước phân chuồng) trong chăn nuôi nông nghiệp là nguồn nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyển hóa sinh học

để tạo biogas Khối lượng chất thải phát sinh có sự khác nhau, tùy theo từng loại gia súc, gia cầm, điều kiện chăn nuôi, đặc điểm chuồng trại và đặc điểm ngành của từng quốc gia

Hình 2 Sơ đồ tổng quát sự hình thành và sử dụng biogas

Bảng 2 Đặc tính và sản lượng của một số nguyên liệu

Hình 2 Năng lượng sản sinh của một mét khối khí sinh vật

.1.2Cấu tạo của thiết bị khí sinh học

Hình 2 Cấu tạo của hầm Biogas vòm cố định kiểu truyền thống

 Các thiết bị này có 5 bộ phận như sau:

1 Bộ phận phân huỷ: là nơi chứa nguyên liệu đảm bảo những điều kiện thuận lợi cho quá trình phần huỷ kỵ khí sinh ra Đây là bộ phận chủ yếu của thiết bị

2 Bộ phận chứa khí: khí sinh ra từ bộ phận phân huỷ được thu và chứa ở đây Yêu cầu cơ bản của bộ phận chứa khí là phải kín khí

3 Lối vào: Là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào bộ phận phân huỷ

4 Lối ra: Nguyên liệu sau khi phân huỷ được lấy ra qua đây để nhường chổ cho nguyên liệu mới bổ sung vào

5 Lối lấy khí: khí được trích từ bộ tích khí tới nơi sử dụng qua lối lấy khí này

.1.3Quá trình len men tạo metan

Có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Biến đổi chất hữu cơ phức tạp thành chất hữu cơ đơn giản

- Giai đoạn 2: Hình thành acid

Nhờ vào vi khuẩn acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetat), các hydrates carbon → acid có phân tử lượng thấp (C2H5COOH, C3H7COOH,CH3COOH…) và pH môi trường ở dưới 5 nên gây mùi thối

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2

- Giai đoạn 3: Hình thành khí metan.

Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân huỷ ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí: CH4 , CO2 , H2S, N2 , H2 , và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm)

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

CH3COOH → CO2 + CH4

4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2

CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O

4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3

.1.4Nguyên tắc hoạt động của bể biogas

Trước tiên phân gia súc được trộn với nước rồi dẫn vào thân của hầm gas qua hố thu Ngay sau khi được chứa trong hầm, phân sẽ được phân hủy để sinh ra biogas, gas sinh ra sẽ được chứa dưới nắp hầm Trong suốt quá trình tạo gas, nếu không đun, áp lực gas dưới nắp sẽ tăng và sẽ ép lên bề mặt hỗn hợp phân và nước để đẩy cùng phân đã được phân hủy ra ngoài bể điều áp

Bể Biogas hoạt động theo chu trình gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn tích khí và giai đoạn sử dụng khí

+ Giai đoạn tích khí: lúc bắt đầu, áp suất khí bằng 0 khí bắt đầu sinh ra và tích lại

ở phần trên của bể phân giải Khối không khí được tích ngày càng nhiều và đẩy dịch phân giải dâng lên ở bể điều áp và ống lối vào Bề mặt dịch phân giải trong bể phân giải dần hạ xuống còn bề mặt dịch trong bể điều áp tăng lên Nếu khí không được sử dụng, dịch phân giải sẽ tiếp tục tăng và đến một lúc nào đó sẽ tràn khỏi bể điều áp qua đường xả tràn

+ Giai đoạn sử dụng khí: Khi khí được lấy đi sử dụng, bể mặt dịch ở bể điều áp giảm xuống và bề mặt dịch phân giải ở bể phân giải tăng dần lên Khi độ chênh giữa 2 bề mặt dịch này bằng 0, thiết bị sẽ trở lại trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động

Về mặt cấu tạo bể bao gồm 3 bộ phận chính là bể phân giải, bộ phận chứa khí và

bộ phận điều áp.Cả ba bộ phần này đều được kết hợp nằm trong một khối

Có 3 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas:

- Nhóm vi khuẩn hòa tan và thủy phân

- Nhóm vi khuẩn acidogenesis

- Nhóm vi khuẩn methanogenesis (sinh methane)

Hình 2.Nguyên tắc hoạt động của bể biogas

.1.5 Hầm Biogas phủ bạt HPDE

Màng chống thấm HDPE là tên viết tắt Hight density polypropylenne, màng chống thấm HDPE chứa 97.5% nhựa nguyên sinh, 2.5% còn lại bao gồm cacbon đen, chất ổn định nhiêt, chất kháng tia UV và vì vậy HDPE không độc hại và có cường độ chịu kéo và

độ dãn dài rất lớn Màng được chế tạo thành từng cuộn dài với chiều dày từ 0.3-3mm Bề rộng của khổ Vải là 7m, khi thi công được hàn nối với nhau bằng máy hàn nhiệt chuyên dụng

HDPE có các ứng dụng rông rãi trên các lĩnh vực như xử lý chống thấm đê, đập, lòng hồ thuỷ lợi, hồ chứa nước sinh hoạt, hố chôn lấp rác thải, hố BIOGAS và được ứng dụng phố biến trong các hồ nuôi trồng thuỷ hải sản

Hình 2 Bảng vẽ thiết kế hầm ủ biogas phủ bạt HPDE

 Nhược điểm của kiểu hầm biogas phủ tấm chống thấm HPDE

- Việc hàn màng chống thấm thông thường phải được thực hiện trong điều kiện thời tiết khô ráo, mặt bằng thi công bằng phẳng không đọng nước

- Đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn đối với các trang trại tập trung quy mô

- Việc sữa chữa cần đến những công nhân có kinh nghiệm, tay nghề cao

.1.6So sánh các kiểu biogas phổ biến ở việt nam

Bảng 2 Bảng so sánh các kiểu biogas phổ biến ở Việt Nam

HẦM BIOGAS CHẤT LIỆU BẠT

HDPE APO-HDPE

HẦM BỂ BIOGAS CHẤT

LIỆU NHỰA COMPOSITE

HẦM BỂ BIOGAS XÂY BẰNG GẠCH

Độ bền cao, kín tuyệt đối

Có tính đàn hồi Chống tia UV Không bị ăn mòn bởi axit hay bazơ

Độ bền cao và kín tuyệt đối, kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp

đặt

Không bị nứt gẫy, không bị dò khí trong điều kiện nóng, lún, nứt, không bị axít ăn mòn

Dễ bị lún, nứt, dễ bị dò khí ra ngoài không khắc phục được

Dùng một thời gian do nhiệt độ nóng nên bị axít ăn mòn bề mặt bê tông bị nhũn thành bùn, làm cho bể bị dò khí

ra ngoài

Hiệu suất sinh khí tôt nhất so với các

công nghệ hầm tĩnh khác (vì nhiệt độ của

hầm loại này hướng đến nhiệt độ kỵ khí

tối ưu) Không bị nghẹt ống thoát, ống vào

Hiệu suất sinh khí cao vì nó chịu được áp suất lớn và kín tuyệt đối,

và chuyển hoá lên men kỵ khí

100%

Đòi hỏi phải nạp nguyên liệu nhiều và

thường xuyên

lên men kỵ khí không đạt tối ưu Thời gian lên Gas rất lâu

Lắp đặt nhanh nhất

Không phát sinh chi phí khi thi công

Duy nhất làm được hầm biogas khối

lượng lớn

Lắp đặt không tốn nhiều thời gian và nhân công lắp đặt, vận chuyển, lắp đặt 2 - 4giờ là xong,

đổ phân ủ trước vào là dùng

được ngay

Thi công mất nhiều thời gian, nhân công phát sinh nhiều chi phí, khó khăn trong quá trình thi công Không thử được độ kín của bể ngay sau khi lắp

đặt

Dễ dàng hút bùn bất cứ khi nào cần mà

không phải mở hầm ra

Không phải lấy phân bã ra khỏi

bể mà bã tự động đẩy ra khỏi bể

Một vài năm bắt buộc phải lấy phân bã

và phá váng trên bề mặt của bể ra

Vì thế hàng năm không mất chi phí tiền dọn bể và hút bã

ngoài, một lần dọn bể phải chi phí mất

nhiều công lao động

Lắp đặt ở mọi địa hình, mọi quy mô

Chủ đầu tư có thể tham gia ở một số

khâu để giảm bớt chi phí

Có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khi đào

có nước việc lắp đặt rất đơn giản

Không thể làm được điều này

Có thể đào lên di chuyển đi nơi khác

Có thể đào lên di chuyển đi nơi khác một cách dễ dàng tuỳ theo

sử dụng Khi gặp sự cố sử lý trong vòng 1 giờ là xong, đổ phân vào là sử dụng được ngay

Không thể làm được điều này

Có thể lắp thêm nhiều các thiết bị phụ để

nâng cao tính hiệu suất sinh khí như:

Khử mùi, máy phát điện chạy bằng Gas,

nồi cơm chạy bằng Gas, bình nước nóng

chạy bằng Gas, thắp sáng…

Đủ gas để phát điện cung cấp cho trại

lạnh khép kín mà không cần sử dụng túi

trữ

Có thể lắp thêm một số thiết bị phụ: Khử mùi, máy phát điện chạy bằng Gas (nhưng phải dùng túi trữ), nồi cơm chạy bằng Gas, bình nước nóng chạy bằng Gas,

thắp sáng…

Do không nhiều Gas nên không thể lắp thêm nhiều các thiết bị và phụ kiện

khác

Chi phí đầu tư thấp

(~50.000đ/m3-200.000đ/m3 tùy quy mô), hiệu quả đầu

tư rất cao

Chi phí đầu tư cao (~2.000.000đ/m3), hiệu quả đầu

tư thấp

Chi phí đầu tư cao (~2.000.000đ/m3),

hiệu quả đầu tư rất thấp

Hiệu quả xử lý môi trường cao: Giảm

~80-90% COD

Nước thải không còn mùi hôi

Hiệu quả xử lý môi trường không

cao Nước thải còn mùi rất hôi

Hiệu quả xử lý môi trường không cao Nước thải còn mùi rất hôi

Dễ bảo trì, bảo dưỡng Chi phi phí này

rất thấp

Dễ bảo trì, bảo dưỡng Chi phi

phí này rất thấp

Rất khó bảo trì, bảo dưỡng Chi phi phí này rất cao Thậm chí không thể bảo trì

được

.1.7Các yếu tố ảnh hưởng

- Mức độ kỵ khí: Những vi khuẩn sinh khí mêtan chỉ sống trong môi trường tuyệt

đối không có oxy.Vì vậy, đảm bảo cho môi trườngtuyệt đối kỵ khí là yếu tố quan

trọng đầu tiên

- Nhiệt độ:Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 –

40 độ C Nhiệt độ thấp và thay đổi đột ngộtđều làm cho quá trình sinh khí mêtan

yếu đi

- Tỉ lệ C/N: Tỉ lệ C/N tốt nhất là ở 30/1