Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu và thực nghiệm chế tạo thiết bị sinh khí sinh học từ thức ăn thừa của các hộ gia đình tại Hà Nội. Khí sinh học được sử dụng phục vụ mục đích năng lượng trong các bếp ăn của hộ gia đình hoặc tương đương quy mô hộ gia đình.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ SINH KHÍ SINH HỌC TỪ RÁC THẢI SINH HOẠT HỘ GIA ĐÌNH XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU HÀ NỘI RESEARCH AND MANUFACTURE THE BIOTECHNOLOGY EQUIPMENT FROM HOUSEHOLD DOMESTIC WASTE CONSIDERING CLIMATE CONDITIONS OF HANOI Phạm Mạnh Hải TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm chế tạo thiết bị sinh khí sinh học từ thức ăn thừa hộ gia đình Hà Nội Khí sinh học sử dụng phục vụ mục đích lượng bếp ăn hộ gia đình tương đương quy mơ hộ gia đình Thiết bị khí sinh học dựa nguyên lý PlugFlow không sử dụng động khuấy thiết kế linh hoạt phù hợp lắp đặt quy mơ hộ gia đình Thành phần ngun liệu đầu vào, thời gian lưu, chu kỳ xả thải nghiên cứu điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện khí hậu Hà Nội thành phần chủ yếu rác thải sinh hoạt hộ gia đình Từ khóa: Khí sinh học, thức ăn thừa, điều kiện khí hậu Hà Nội, thiết bị hầm ủ ABSTRACT This paper presents the research and experimental biogas equipment manufacturing from food scraps and leftovers of households in Hanoi Producted biogas is used for energy purposes in the kitchen of the household or the equivalent household size Exprimental biogas equipment based on a suitable principle is flexibly designed for household installation The composition of input materials, retention time, discharge cycle are researched and adjusted to suit Hanoi’s climatic conditions and the main composition of household domestic waste Keywords: Biogas, food scraps, Hanoi climatic conditions, biogas equipment Trường Đại học Điện lực Email:haipm@epu.edu.vn Ngày nhận bài:03/9/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/10/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 GIỚI THIỆU CHUNG Thức ăn thừa hộ gia đình Việt Nam thường gom với rác thải sinh hoạt chưa phân loại Do để xử lý thức ăn thừa đồng thởi phải xử lý rác thải Việc xử lý phế phụ phẩm thức ăn thừa tạo lượng bao gồm số công nghệ ứng dụng chơn lấp lấy khí (khí chơn), cơng nghệ thủy phân (ngâm bể lấy khí), cơng nghệ đốt (lấy nhiệt) [1] Cơng nghệ khí chơn (hình 1) sử dụng kỹ thuật dựa phân hủy yếm khí Khí Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn chơn sản phẩm phụ q trình phân rã chất thải dạng rắn, với thành phần thông thường bao gồm 50% khí CH4, 45% CO2 4% N2 Cơng nghệ có ưu điểm phù hợp với quy mơ chơn lấp lớn để tạo lượng khí đủ cho máy phát điện khí sinh học cơng suất lớn Hiện nay, giới có hai cách để thu khí chơn bao gồm: biện pháp truyền thống khoan thông thường (conventional drilling) thu đẩy (push-in) Thông thường, trước bơm thu hồi khí, người ta lập đồ cấu trúc chiều bể chôn rác để xác định vị trí tụ khí vị trí tối ưu để khoan Phương pháp khoan truyền thống sử dụng kỹ thuật khoan thông thường với số cải tiến kỹ thuật phù hợp với khu vực khoan Các ống dẫn lắp đặt thẳng đứng, giúp việc thu hồi khí tiện lợi nhanh chóng Phương pháp thu đẩy sử dụng đồ chiều để tìm giếng khí sử dụng cho vị trí khoan riêng biệt cần thiết Hình Cơng nghệ khí chơn sử dụng để phát điện [4] Cơng nghệ đốt [2] (hình 2) áp dụng để xử lý chất thải nguy hại chất thải bệnh viện nhiên sử dụng để xử lý rác thải sinh hoạt Tại Hà Nội có lị đốt chất thải bệnh viện cơng suất 3,2tấn/ngày đặt Tây Mỗ Tại TP Hồ Chí Minh có lị đốt chất thải bệnh viện công suất 7,5tấn/ngày Phương pháp đốt chất thải dùng để xử lý chất thải cơng nghiệp lị đốt chất thải giầy da Hải Phịng, lị đốt cao su cơng suất 2,5tấn/ngày Đồng Nai Các lò đốt thường nhập từ nước ngồi thường có nhiều loại lị đốt khơng xử lý khí thải Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tuy nhiên, phương pháp khó áp dụng cho quy mơ hộ gia đình, nơi nguồn thực phẩm thừa thành phần khó xử lý rác thải sinh hoạt Những mục sau mô tả nguyên lý cách thức hoạt động giải pháp hứa hẹn phù hợp CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO KHÍ SINH HỌC QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH Hình Cơng nghệ đốt xử lý rác thải Cơng nghệ ủ yếm khí tạo khí sinh học [3] trồng sau từ thực phẩm thừa thường hướng đến căng tin, nhà hàng, khách sạn có nguồn thức ăn thừa lớn Lượng thực phẩm thừa xử lý theo phương pháp ủ yếm khí để tạo khí sinh học phục vụ đun nấu, thắp sáng chạy máy phát điện Riêng nguồn chất thải từ q trình ủ khí làm dung môi cho việc trồng thủy sinh, rau, củ phục vụ trở lại cho sở Thức ăn thừa sau tập hợp lại trải qua bước sơ loại để loại bỏ thịt, xương vật cứng Sau đó, cho vào thùng xay nhuyễn pha loãng với nước (tỉ lệ: 1kg thức ăn thừa/6 - lít nước) Nguyên liệu đổ vào thùng ủ khí Tại đây, diễn q trình biến đổi sinh hóa chất hữu cơ, để tạo khí sinh học bã thải hữu Trong trình ủ, để vi sinh vật phát triển giai đoạn đầu thuận lợi, lần ủ cần cho thêm vào thùng ủ đường bổ sung thêm chế phẩm sinh học vào thùng ủ để cung cấp vi sinh vật hữu ích, giúp đẩy nhanh q trình phân hủy, yếm khí, khử mùi hơi, diệt vi khuẩn có hại Thực tế, số sở làm trung bình ngày nhà ăn thải từ - 3kg thức ăn, hệ thống tạo từ 15 - 22 lít khí sinh học/ngày, bổ sung 20% lượng khí đốt cho sở từ - lít mùn phân hủy, đủ để trồng vườn rau từ 6m2 - 10m2 Chu trình cơng nghệ thể hình Hình Quy trình cơng nghệ xử lý thức ăn thừa tạo khí sinh học quy mơ bếp ăn cơng nghiệp 2.1 Cơ sở tính tốn thơng số thiết bị Theo só liệu điều tra khảo sát lượng thức ăn thừa khu tập thể nhà ăn Trường Đại học Điện lực ngày khoảng 30kg, bao gồm cơm thừa, phế phẩm rau củ, nước canh thừa… Tính thể tích phân huỷ Vd (m3) theo lượng nạp hàng ngày P (kg) thời gian lưu T (ngày) Do thức ăn thừa phân hủy lâu nên thời gian lưu dài Vd = x P x T/1000 (1) Vd = x 30 x 50/1000 = 6m Tính sản lượng khí thu hàng ngày (công suất thiết bị) G (m3/ngày) theo lượng nạp hàng ngày P (kg) hiệu suất sinh khí nguyên liệu ủ H (lít/kg/ngày) (hiệu suất lấy 50 lít/kg/ngày) G = P x H /1000 (2) G = 30*50/1000 = 1,5m Tính thể tích trữ khí Vg (m3) theo cơng suất G, cần tích trữ lại lượng khí sản ban đêm 12 nên: Vg = 0,5 x G = 0,75m3 (3) Tổng thể tích bể là: 8,25m 2.2 Thiết kế thiết bị Hình Nguyên lý cấu tạo thiết bị sinh khí sinh học quy mơ hộ gia đình Khi ngun liệu tươi đưa vào thiết bị phản ứng diễn trình phân hủy sau: xảy trình phân hủy điều kiện thiếu khí đầu vào thiết bị phản ứng ban đầu dịng vào có tồn oxy, tiếp đến q trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học Q trình chuyển hóa chất thải sinh khí sinh học diễn từ đầu đến cuối thiết bị cách đặn nên hoạt động thiết bị dễ dàng đạt trạng thái ổn định hiệu suất phân hủy sinh khí cao Các vật liệu rắn có bề mặt tiếp xúc lớn đặt chìm nước giá thể để vi sinh vật bám vào, sinh trưởng phát triển tạo màng sinh học, nhờ mật độ sinh khối thiết 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 bị trì lớn đẩy mạnh tốc độ phản ứng chuyển hóa nâng cao hiệu suất sinh khí Dịng sản phẩm sau phân hủy đưa khỏi thiết bị phản ứng cách độc lập so với dòng vào hạn chế ảnh hưởng gây “sốc” vi sinh vật phân hủy yếm khí, đặc biệt chủng vi khuẩn mê tan hoạt động điều kiện yếm khí nghiêm ngặt chuyển hóa chất thành khí sinh học Nguyên lý thiết bị vẽ thiết kế chị tiết thể hình 3.2 Vận hành sau có khí sinh học Châm thử lửa vào bếp xem có lửa chưa thấy lửa cháy bập bùng tiếp tục xả, thấy đồng hồ báo áp suất khí đủ có lửa cháy khơng bị tắt Khi sử dụng bếp ga phải châm lửa trước mở van sau, đun nấu xong phải khố vặn chặt van ga, khơng mở van ga mà khơng đốt lửa khí ga hở không đốt cháy ảnh hưởng đến người dễ ngây hoả hoạn Khi dùng tuyệt đối không dùng hết ga bể (khi thấy đồng hồ báo số ngưng sử dụng) dùng hết khí nước bể chất thải tràn lên ống dẫn ga gây tắc đường ống dẫn khí 3.3 Xử lý tắc đường ống dẫn khí Bước 1: Khố van tổng lại sau vặn đồng hồ khoá tổng Bước 2: Nối ống 21 vào zen ngồi 21 vặn chặt vào khố tổng Hình Bản vẽ thiết kế chi tiết thiết bị sinh khí sinh học quy mơ hộ gia đình VẬN HÀNH THIẾT BỊ SINH KHÍ SINH HỌC QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH 3.1 Nạp ngun liệu Mở khố tổng cho nguyên liệu vào bể đủ để nạp từ 500 đến 1000kg thức ăn thừa cần phải cho lượng chất thải nhiều để làm chất (tuy nhiên lượng thức ăn thừa hàng ngày nên khơng đủ số lượng lớn nên ta phải cho vào hàng ngày dẫn đến q trình sinh khí ban đầu lâu), sau có ga ta cần bổ sung nguyên liệu từ khoảng đến 10kg thức ăn thừa ngày đủ đun nấu sinh hoạt cho hộ gia đình khoảng từ đến người Toàn nguyên liệu đổ vào khơng cho rơm rác, túi bóng, cành cây… gây tắc đường vào đường bể, khơng đổ vào hầm hố chất xà phịng, thuốc trừ sâu… làm giảm hoạt động vi sinh vật Bơm nước thêm vào bể để 40 đến 50cm tính từ vành đai ghép lên, sau đóng khố tổng lại (tỷ lệ nước với nguyên liệu 1:3, một nguyên liệu nước) Trong thời gian chờ có khí ga khơng cho nước vào bể mà cho nguyên liệu vào bể, thời gian ta cần phải xả liên tục Cách xả: Sau nạp nguyên liệu đến ngày bắt đầu xả tồn khí bình bể cịn có hỗn hợp khí gây hại q trình cháy gây hỏng thiết thị (SO2, CO2, N2…) Xả vòng ngày liên tục xả mở khoá tổng khí hết đóng khố tổng lại Khi xả có mùi thối ta cần có cho ống xả lên cao để khí mùi thối khơng ngây ảnh hưởng đến người Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Bước 3: Cho vòi nước máy bơm vào ta bơm bơm nước ta thấy căng ống dẫn nước, sau ta mở khố tổng đóng lại (làm liên tục hết bị tắc) Chú ý đến tượng tắc khí: - Khi ta mở khố tổng để đốt có khí mà khơng có cháy - Mở khơng có thấy khí - Khi ta đốt lúc lại thấy hết khí 3.4 Những yếu tố ảnh hưởng hiệu suất sinh khí sinh học Mơi trường kị khí: Vi khuẩn lên men tạo khí mê tan, phát triển điều kiện khơng có khí ơ-xy (kị khí) Do bể phân giải phải kín, khơng để khơng khí lọt vào Nhiệt độ pH thích hợp: Vi khuẩn tạo nên khí mê-tan hoạt động nhiệt độ từ 10 đến 60oC, nhiệt độ lý tưởng 35oC Độ pH thích hợp 6,8 - 7,5 Đặc tính nguyên liệu: Hàm lượng chất khô dung dịch lên men cần đạt - 9% (do cần pha lỗng phần nguyên liệu với - phần nước Tỷ lệ C/N 30/1 tỷ lệ thích hợp cho phân hủy nguyên liệu Thời gian lưu bể phân giải hợp lý: Thời gian lưu nguyên liệu bể phân giải cần 60 - 90 ngày với nhiệt độ 20 - 350C Hà Nội KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Các tình phát sinh thực nghiệm Hình Nguyên liệu cho vào bể Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Nạp nguyên liệu: Do nguyên liệu thu gom hốn hợp dẫn đến có khả bị lẫn số rác thải không mong muốn cho vào bể tắc đường ống bể nên cần đặc biệt lọc bỏ túi bóng, xương lợn… Khắc phục: Trước đổ nguyên liệu cần kiểm tra kỹ cho vào bể Nếu có rác thải khơng mong muốn bỏ Sau tháng cho nguyên liệu vào bể bắt đầu đầy tiến hành cho chế phẩm vi sinh vào hầm Chế phẩm vi sinh loại sử dụng nơng nghiệp phổ biến (hình 7) Hình Hình ảnh chế tạo bể vật liệu inox Do phần chứa khí thiết bị khơng tạo đủ áp suất nên túi khí phụ bổ sung áp suất tích hợp vào hệ thống Túi khí được làm vật liệu polime nên sau thời gian bị chuột cắn làm rách dẫn đến rị khí Cách khắc phục: Chế tạo bể bao quanh chân không cho chuột cắn Inox với cấu tạo trơn thành để ngăn khơng cho chuột phá hoại Hình Chế phẩm vi sinh cho vào hầm ủ Men vi sinh Tictac dùng để bổ sung cho bể để tạo chất xúc tác nhanh Tictac chế phẩm sinh học trung tính an tồn khơng độc hại với người, gia súc mơi trường Loại men tập hợp nhiều vi sinh vật hữu hiệu cho việc phân hủy có hoạt lực cao, phân giải nhanh chất khó phân hủy bã Xenluloz, tinh bột, kitin, Protein, lipit, pectin… Sau tháng cho nguyên liệu vào hầm, hệ thống bắt đầu sinh khí, lượng khí ban đầ khơng đốt sau tuần sau có khí khí sinh bắt đầu có tượng cháy Sau đó, bể trì hoạt động bình thường 4.2 Túi khí phụ Hình 10 Hình ảnh thực nghiệm đốt khí sinh học ban đầu Hình Viền bao bảo vệ bể khỏi bị chuộtcắn 20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Hình 11 Lắp bếp đun thử nghiệm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 4.3 Phân tích chất lượng khí Để phân tích chất lượng khí, nghiên cứu sử dụng máy đo phân tích thành phần khí với thơng số kỹ thuật sau: Máy đo khí CH4 CO2 hai bước sóng sensor hồng ngoại Sensor đo khí O2, kiểu điện hóa, (có tùy chọn đo H2S) Dải đo: CH4, CO2 từ - 100%; O2: 25%; H2S: - 50, - 200, - 1000, - 5000ppm (tùy chọn) Độ xác CH4: - 5% thể tích: ±0,5% - 15% thể tích: ±1% 15% - tồn thang thể tích: ±3% Độ xác CO2: - 5% thể tích: ±0,5% - 15% thể tích: ±1% 15% - tồn thang thể tích: ±3% Độ xác O2: - 5% thể tích: ±1% - 15% thể tích: ±1% 15% - tồn thang thể tích: ±1% Áp suất tĩnh: ±500mbar Sai số áp suất: ±125mbar Nhiệt độ hoạt động: - 40oC Độ ẩm tương đối: - 95% không ngưng tụ Thang đo áp suất: 700 - 1200 mbar Áp suất hoạt động: ±5mbar từ áp suất tuyệt đối Nguồn điện sử dụng pin sạc có khả sử dụng liện tục 10 giờ, thời gian sạc khoảng Hình 12 hình ảnh thiết bị phân tích đo khí sử dụng Tiến hành lấy mẫu: Khí tích vào mẫu túi chun dụng sau đưa mang phân tích phịng thí nghiệm cho kết bảng Bảng Kết phân tích chất lượng khí ổn định sau 2,5 tháng đốt ổn định Loại khí Tỷ lệ (%) CH4 CO2 50 - 60 30 - 45 H2S 0-4 KẾT LUẬN Nguyên liệu từ thức ăn thừa kết hợp với hệ thống thiết bị khí sinh học nói bước đầu có hoạt động tốt, có nhiều tính ưu việt kỹ thuật so với kiểu hầm cũ, mở triển vọng ứng dụng rộng rãi bền vững khu vực nơng thơn nước ta Tuy nhiên cần có thêm thời gian để đánh giá đầy đủ chất lượng thiết bị, hiệu thực tế khả giảm giá thành sản xuất với số lượng lớn Loại hầm thiết kế chế tạo đa dạng từ nhỏ tới lớn tùy thuộc vào quy mô chăn ni Để đánh giá cách tồn diện đầy đủ cần có thêm thời gian số lượng mơ hình thử nghiệm có kết luận xác mang tính khoa học thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Melikoglu, 2020 Reutilisation of food wastes for generating fuels and value added products: A global review Environ Technol Innov., vol 19, p 101040, doi: https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101040 [2] C Mukherjee, J Denney, E G Mbonimpa, J Slagley, R Bhowmik, 2020 A review on municipal solid waste-to-energy trends in the USA Renew Sustain Energy Rev., vol 119, p 109512 doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109512 [3] S K Pramanik, F B Suja, S M Zain, B K Pramanik, 2019 The anaerobic digestion process of biogas production from food waste: Prospects and constraints Bioresour Technol Reports, vol 8, p 100310 doi: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100310 [4] http/www.l.cswma.org/images/Lamdfillgasgraphic.jpg AUTHOR INFORMATION Pham Manh Hai Electric Power University Hình 12 Máy đo phân tích khí Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21 ... vẽ thiết kế chi tiết thiết bị sinh khí sinh học quy mơ hộ gia đình VẬN HÀNH THIẾT BỊ SINH KHÍ SINH HỌC QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH 3.1 Nạp ngun liệu Mở khố tổng cho nguyên liệu vào bể đủ để nạp từ 500... hoạt động giải pháp hứa hẹn phù hợp CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO KHÍ SINH HỌC QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH Hình Cơng nghệ đốt xử lý rác thải Công nghệ ủ yếm khí tạo khí sinh học [3] trồng sau từ. .. yếm khí, đặc biệt chủng vi khuẩn mê tan hoạt động điều kiện yếm khí nghiêm ngặt chuyển hóa chất thành khí sinh học Nguyên lý thiết bị vẽ thiết kế chị tiết thể hình 3.2 Vận hành sau có khí sinh học