NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG VI SINH TRONG CÔNG NGHỆ BIOGAS

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Tiểu luận môn học: Vi sinh trong cân bằng sinh thái NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH TRONG CÔNG NGHỆ BIOGAS SINH VIÊN: PHẠM VIẾT NGUYÊN NGUYỄN HẠNH LÊ 1 HÀ NỘI, 2012 Contents DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH Bảng 1: Thành phần và tỉ lệ các chất trong khí sinh học Biogas Bảng 2: Ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp Bảng 3: Thống kê số lượng gia súc tại một số xã huyện Đan Phượng Bảng 4: Số lượng phân trong ngày của gia súc (trên); năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc (dưới) 2 Bảng 5: Lựa chọn công suất máy phát điện theo quy mô chăn nuôi và thể tích bể biogas Bảng 6: Ưu và nhược điểm của kiểm hầm nắp cố định Bảng 7: Thống kê một số VK sinh khí CH 4 và nguyên liệu Bảng 8: Một số VK sinh axit và sản phẩm của chúng Hình 1: Đồ thị phân bố hầm biogas tại một số xã huyện Đan Phượng Hình 2: Sơ đồ thiết bị điện sử dụng khí từ hầm biogas Hình 3: Hầm sinh khối nắp cố định 1. Tổng quan về công nghệ Biogas 1.1 Khái niệm và thành phần Biogas (biological gas) là một hỗn hợp khí cháy, được sinh ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường yếm khí. Thành phần chính của khí Biogas là CH 4 và nhiều khí khác như CO 2 , N 2 , H 2 , H 2 S. Trong đó khí được sử dụng chủ yếu làm nguyên liệu là CH 4 , khi đốt cháy tỏa ra nhiều nhiệt lượng và có màu xanh. Phương trình đốt cháy CH 4 : - CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 882 kJ 1m 3 hỗn hợp khí biogas cháy sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m 3 tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện . 1. 2 Nguyên liệu Nguồn nguyên liệu cho việc sinh khí biogas rất phổ biến ở các vùng nông thôn của Việt Nam, do đó Biogas được sử dụng rộng rãi để tận thụ các phế phụ phẩm nông nghiệp. Hai 3 Bảng 1: Thành phần và tỉ lệ các chất trong khí sinh học Biogas nguồn nguyên liệu chính là phế phẩm động vật và thực vật. Mỗi loại có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau, được trình bày ở bảng dưới đây: Nguyên liệu Ví dụ Ưu điểm Nhược điểm Cách xử lý Động vật Phân người và gia súc, gia cầm là phổ biến Dễ phân huỷ Cho nhiều KSH Phụ thuộc nguồn nguyên liệu Dễ gây mùi nếu xử lý không tốt Nuôi gia súc tập trung Thực vật Phụ phẩm cây trồng như rơm rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…hoặc bèo, các cây cỏ sống ở dưới Thu được khối lượng lớn trong thời gian ngắn. Nguồn đa dạng, dễ kiếm Có lớp vỏ cứng rất khó bị phân huỷ. Thời gian ủ lâu Năng lượng thấp Ít KSH Vật lý (chặt, băm, đạp nhỏ và ủ sơ bộ ) à phá vỡ lớp vỏ cứng, tăng S bề mặt Nạp từng mẻ nhỏ, mỗi mẻ kéo dài từ 3 – 6 tháng. Bảng 2: Ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp Khả năng cho khí metan của một số phân gia súc được tính như sau (l/kg phân): phân trâu, bò khoảng 22-40; phân lợn: 40 – 60; phân và, vịt: 65,5 – 11,5; phân người: 20 – 28. Trong đó, phân lợn được sử dụng một cách rộng rãi nhất bởi đạt được các yếu tố về số lượng, sản lượng khí sinh ra và thời gian cho khí. Ngoài ra, lợn còn được nuôi theo chuồng trại nên dễ dàng thu gom nước trộn, nước giải và phân tươi. 2. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được chọn là sử dụng hầm Biogas của các hộ gia đình tại huyện Đan Phượng, Hà Tây. 3. Kết quả nghiên cứu 3.1 Sử dụng trường hợp của hộ gia đình tại huyện Đan Phượng làm case study Huyện Đan Phượng tỉnh Hà Tây có vị trí địa lý nằm ở phía tây thành phố Hà Nội, có dân số gần 130.000 người (28.000 hộ), mật độ dân số là 1.608ng/km2, gần 90% số hộ dân tham gia chăn nuôi gia súc. Huyện trở thành một trong những vệ tinh cung cấp số lượng lớn thịt gia súc và rau quả cho thủ đô hà Nội. Năm 2003 tổng đàn lợn là 83.576 con, đàn bò 3.827 con. Tỷ trọng thu nhập từ chăn nuôi của huyện chiếm 51% giá trị sản xuất nông nghiệp. Ngành chăn nuôi trở thành ngành chính trong sản xuất nông nghiệp của toàn huyện. Tuy nhiên sự phát triển trong chăn nuôi càng tăng thì đồng nghĩa với nó là chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất càng nhiều và đây chính là nguồn gốc phát sinh dịch bệnh cho người và gia súc. 4 Tên xã Tháng 4 năm 2010 Trâu (con) Bò (con ) Lợn (con) Gia cầm (con) Chăn nuôi khác (con) Toàn huyện 18 191 1215 177266 8579 Thị trấn 3 5 1452 6700 348 Trung Châu 310 5228 7596 930 Thọ An 335 3057 8820 1130 Thọ Xuân 290 1612 8500 643 Hồng Hà 152 8050 8015 596 Liên Hồng 2 64 1767 15418 1024 Liên Hà 33 1100 6015 399 Hạ Mỗ 95 3067 22167 6909 Liên Trung 33 670 4736 506 Phương Đình 222 3315 24000 313 Thượng Mỗ 8 70 4109 1220 700 Đan Phượng 2 11 3685 16226 50 Tân Hội 6 11 3399 23800 839 Tân Lập 55 5285 17553 886 Đồng Tháp 425 1769 6500 10 Song Phượng 80 830 30 HTX Hường Bích 2820 Bảng 3: Thống kê số lượng gia súc tại một số xã huyện Đan Phượng (Nguồn: UBND huyện Đan Phượng, 2009) Tháng 5 năm 1999, UBND Huyện tổ chức cho đội ngũ cán bộ chủ chốt của các xã đi tham quan và học tập mô hình tổ chức xây hầm biogas ở huyện Ứng Hoà (Hà Tây) và đầu 5 tư đội ngũ kỹ thuật xây dựng mô hình biogas ở một số hộ dân. Từ năm 1999 – 2004, toàn huyện Đan Phượng có khoảng hơn 3. 650 hầm biogas xây dựng theo tiêu chuẩn kỹ thuật, và một số hầm biogas tự phát. Hình 1: Đồ thị phân bố hầm biogas tại một số xã huyện Đan Phượng (Nguồn: UBND huyện Đan Phượng, 2009) Đồ thị phân bố hầm biogas theo xã của huyện Đan Phượng Số lượng hầm biogas phân bố ở các xã có sự khác nhau rõ rệt. Xã Cát Quế là nơi tập trung số hộ chăn nuôi nhiều nhất, nên cũng là nơi có số hầm biogas nhiều nhất huyện. Loại vật nuôi Lượng phân (kg/ngày) Trâu, bò 14 Heo 2, 5 Loại phân Lượng khí biogas sinh ra (m3/tấn phân) Thành phần metan (% thể tích) Trâu, bò 260 – 280 50- 60 Heo 561 Bảng 4: Số lượng phân trong ngày của gia súc (trên); năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc (dưới) (Dương Nguyên Khang, 2008) Hầm khí sinh học Lọc khí Túi chứa khí Máy phát điện 6 Bảng điều khiển Phụ tải Hình 2: Sơ đồ thiết bị điện sử dụng khí từ hầm biogas (Nguồn: Nguyễn Đình Hùng, 2009) - Máy phát điện công suất từ 2 – 5 kW (loại nhỏ) có thể sử dụng được 2 chế độ riêng biệt: xăng hoặc khí Biogas, phù hợp với các hộ gia đình có quy mô chăn nuôi từ 10 – 10 đầu lợn. - Máy có hệ thống gas tự động. - Điện đầu ra: Điện 1 pha 2 dây,điện áp ổn định (220V) phù hợp chạy các TB điện hiện có trên thị trường. Công suất (kW) Thể tích bể Biogas (m 3 ) Đầu lợn (con) 2 7 – 10 10 – 20 2,5 7 – 10 10 – 20 3 10 – 15 20 – 40 5 15 – 20 40 – 60 10 40 – 80 150 – 250 15 80 – 120 250 – 400 20 120 – 150 400 -500 25 150 – 200 500 – 800 30 ≥ 200 ≥ 800 Bảng 5: Lựa chọn công suất máy phát điện theo quy mô chăn nuôi và thể tích bể biogas (Nguồn: phòng Nông nghiệp và phát triển nông thôn Đan Phượng) 3.2 Các kiểu hầm được sử dụng Hầm biogas của huyện được xây dựng trên quy mô các bể phân hủy cỡ nhỏ, phục vụ nhu cầu chất đốt sinh hoạt và thắp sáng trong phạm vi từ 1 đến 3 gia đình. Các gia đình phần lớn đang sử dụng các loại hầm khí sinh học hầm có nắp cố định hoặc trôi nổi. Cấu tạo gồm các thành phần chính là: - Cửa nạp nhiên liệu. - Buồng lên men, phân hủy và tạo khí. - Buồng chứa khí (Hệ thu khí gồm: van, đường ống, các thiết bị đo lường) - Ngăn tháo cặn bùn đã lên men. 7 Mô hình lắp đặt máy phát điện tại hộ gia đình 3.3 Nguyên lý hoạt động của hầm nắp cố định: Giai đoạn 1: Giai đoạn tích trữ khí Ở trạng thái ban đầu chưa có khí, bề mặt dịch phân hủy ngang bằng với đáy bể điều áp (đây được gọi là mức số không). Khi khí sinh ra tích lại trên bề mặt dịch phân hủy, lượng khí càng ngày càng nhiều đẩy dịch phân hủy tràn ra ngoài và được tích lại ở bể điều áp. Bề mặt dịch phân hủy ở bể phân hủy hạ dần xuống, đồng thời bề mặt dịch phân hủy ở bể điều áp dâng dần lên. Độ chênh giữa 2 bề mặt này thể hiện áp suất khí. Khí càng sinh ra nhiều thì áp suất càng tăng. Cuối cùng mực chất lỏng ở bể điều áp dâng lên tới mức cao nhất là mức xả tràn và mực chất lỏng trong bể phân hủy hạ xuống mức thấp nhất. Lúc này áp suất khí đạt giá trị lớn nhất ( P = P max) Giai đoạn 2: Giai đoạn xả khí Khi lấy khí ra sử dụng, chất lỏng từ bể điều áp lại dồn về bể phân hủy. Bề mặt dịch phân hủy ở bể điều áp hạ dần xuống, đồng thời bề mặt dịch phân hủy ở bể phân hủy nâng dần lên. Độ chênh giữa hai bề mặt này giảm dần và do đó áp suất khí cũng giảm dần. Cuối cùng khi độ chênh giữa 2 bề mặt dịch phân hủy bằng không, thiết bị trở lại trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động, áp suất khí bằng 0 ( P = 0) và dòng khí chảy ra nơi sử dụng ngừng lại. Các hộ gia đình tại huyện Hoài Đức phần lớn sử dụng năng lượng biogas để đun nấu và chiếu sáng. Chi phí đầu tư ban đầu cho việc sử dụng máy phát điện sinh học tương đối cao và cần có kĩ năng vận hành máy, song lại giúp tiết kiệm điện năng và điện áp luôn ổn định. Loại hầm ủ nắp cố định: Ưu điểm Nhược điểm - Kết cấu dưới mặt đất, nhiệt độ ổn định. - Tiết kiệm diện tích, có thể trồng rau hoặc làm chuồng trại bên trên. - Không có góc cạnh nên dễ xử lý kín nước, kín khí. - Lực tác động lên mọi điểm trên vòm bể là như nhau nên ít khi xảy ra nứt công trình khi đi vào sử dụng, ít đòi hỏi bảo dưỡng - Sinh khí tốt vì mọi nơi trong hầm đều tham gia tạo khí. - Ít tạo váng trên bề mặt nguyên liệu. - Kiểu mới lạ, thiết kế phức tạp nên khi thi công đòi hỏi thợ xây phải được đào tạo. - Giá thành cao ( 5 – 10 triệu đồng/hầm). - Có thể có tình trạng khí thẩm thấu qua vòm. 8 Hình 3: Hầm sinh khối nắp cố định (Nguồn: Dương Nguyên Khang, 2008) - Có bản vẽ thiết kế chính xác. Bảng 6: Ưu và nhược điểm của kiểm hầm nắp cố định (Nguồn: Nguyễn Thị Lan Hương, 2010) 3.4 Các giai đoạn của quá trình tạo khí sinh học: Quá trình này được phân chia làm 2 giai đoạn chính: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ cao phân tử được vi sinh vật chuyển thành các chất có trọng lượng thấp hơn như axit hữu cơ, đường glyxerin .( được gọi chung là hydratcacbon). Một số ví dụ chuyển hóa như: protein à acid amin; carbon hydrat à đường đơn; chất béo à acid hữu cơ mạch dài và glyxerin, các chất hữu cơ à các axit hữu cơ, CO 2 , H 2 và các sản phẩm khác dưới tác dụng của enzym cellulosase Đặc điểm của giai đoạn này là xảy ra chậm do đó cũng hạn chế tốc độ phân hủy kỵ khí. Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố môi trường khác (tốc độ thủy phân xảy ra rất chậm khi nhiệt độ<20 0 C) . Giai đoạn 2: (lên men axit và sinh khí CH 4 ) Các axit hữu cơ được tạo thành, pH giảm xuống rõ rệt ( lên men axit). Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau tạo nguyên liệu sinh CH 4 và một số các chất khí cũng được sinh ra như CO 2 , N 2 , H 2 và cả CH 4 ( bắt đầu lên men metan) Tiếp đến, VSV kỵ khí phát triển mạnh, VSV hiếu khí bị tiêu diệt, Các vi khuẩn metan phát triển và chuyển hóa rất nhanh các axit hữu cơ, CO 2 , H 2 tạo thành CO 2 và CH 4 ( giai đoạn lên men metan). CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O 4CO + 2H 2 → CH 4 + 3CO 2 4HCOOH → CH 4 + 3CO 2 + 3H 2 O 4CH 3 OH → 3CH 4 + 2H 2 O + CO 2 CH 3 COOH → CH 4 + H 2 O. 9 Tóm lại, khí Biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng chính của enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym cellulosase là phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn tạo thành khí metan có khả năng đốt cháy sinh năng lượng. 3.5 Các loại VSV trong bể khí Biogas Nhóm VK biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều có khả năng tiết ra enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore). Theo đó, có thể kể tên một số họ như: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus (A.R.Prevot, 1958). Các VSV này biến dưỡng trong điều kiện yếm khí tạo ra CO 2 , H 2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine Nhóm VK sinh khí metan Là nhóm VK chuyên biệt được nghiên cứu bởi W.E.Balch và cộng tác viên ở Mỹ (1997), được xếp thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài (Genus). Chúng có chức năng chuyển hóa các axit axetic, axit fomic . thành khí mêtan, CO 2 , O 2 , N, H 2 S; bao gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina). Các loại VK khác Trong giai đoạn 1, ngoài hoạt động chủ yếu của nhóm VK biến dưỡng cellulose thì tuỳ theo thành phần các hợp chất bị phân huỷ mà người ta chia thành VK phân huỷ protein, VK phân huỷ axit béo, VK sinh axetat và hiđro có chức năng phân huỷ các chất sinh ra ở giai đoạn đầu như axit propionic, các axit béo bậc cao. MỐI QUAN HỆ: mối quan hệ giữa các chủng VK biến dưỡng cellulose và nhóm VK sinh khí metan là mối quan hệ cộng sinh. Chúng tạo điều kiện, nhiên liệu và môi trường thuận lợi cho nhau cùng phát triển. Nếu không có nhóm sinh vật này, nhóm sinh vật kia không thể sống sót. 10 Bảng 7: Thống kê một số VK sinh khí CH 4 và nguyên liệu Bảng 8: Một số VK sinh axit và sản phẩm của chúng