Kết quả khảo sát 10 nông hộ thuộc huyện Phong Điền, TP. Cần Thơ về những ưu điểm và nhược điểm của khí sinh học được trình bày ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3: Những ưu điểm và nhược điểm trong quá trình sử dụng khí sinh học
Nội dung Tỷ lệ hộ Phần trăm số hộ
Ưu điểm
+ Tiết kiệm thời gian và công sức 10/10 100%
+ Tiện sử dụng 6/10 60%
+ Giảm chi phí sinh hoạt 4/10 40%
+ Thay thế nhiên liệu truyền thống 1/10 10%
Nhược điểm
+ Có mùi hôi khó chịu 6/10 60%
+ Làm rỉ sét tôn 5/10 50%
+ Ăn mòn dụng cụ bằng kim loại 2/10 20%
Kết quả ở Bảng 4.3 cho thấy, về ưu điểm của khí sinh học có 10/10 hộ cho rằng sử dụng khí sinh học tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức trong sinh hoạt gia đình. 6/10 hộ cho biết sử dụng khí sinh học rất tiện và thoải mái. Trong khi đó, 4/10 hộ cho biết khí sinh học góp phần giảm các chi phí sinh hoạt hàng ngày trong gia đình. Còn lại 1/10 hộ nhận định: sử dụng khí sinh học hoàn toàn có thể thay thế các loại nhiên liệu truyền thống như: than, củi, than đá, trấu,...
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên vẫn còn một số nhược điểm trong quá trình sử dụng khí sinh học. Các nhược điểm khảo sát được như sau: 6/10 hộ cho biết khí sinh học có mùi hôi khó chịu, 5/10 hộ cho rằng khí sinh học làm rỉ sét tôn, 2/10 hộ nhận định khí sinh học gây ăn mòn các dụng cụ bằng kim loại (Bảng 4.3). Để khắc phục các hạn chế trên, các hộ dân phải sử dụng các vật dụng chóng rỉ sét đắt tiền hoặc che chắn các thiết bị bằng kim loại dễ rỉ sét gần bếp. Điều này làm cho việc sử dụng khí sinh học trở nên bất tiện và tốn kém.
Tóm lại, sử dụng khí sinh học có cả ưu điểm và nhược điểm tồn tại song song nhau. Tuy nhiên, cần có giải pháp khắc phục những nhược điểm của khí sinh học, để chất lượng của khí sinh học ngày càng được tốt hơn.
23
4.2 Thành phần và lưu lượng khí sinh học khi nông hộ sử dụng để nấu ăn 4.2.1 Thành phần khí sinh học
Kết quả phân tích về thành phần khí sinh học qua 10 hộ khảo sát được trình bày ở Bảng 4.4. Thành phần khí trong khí sinh học (CH4, CO2, H2S) dao động lớn giữa các túi ủ khảo sát. Trong đó khí CH4 chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần khí, chiếm trung bình khoảng 64,4% và khí CO2 chiếm trung bình 26,6%. Khí CH4 là thành phần có khoảng dao động lớn nhất từ 55,2% đến 72,1%, kế đến là thành phần khí CO2 dao động 11,6% (khoảng dao động từ 18,5% đến 30,1%), cuối cùng là thành phần khí H2S có khoảng dao động 2604 ppm (từ 308 đến 2912 ppm).
Các nghiên cứu về thành phần khí sinh học đều cho thấy khí CH4 và CO2 là hai thành phần chính của hỗn hợp khí và có tỷ lệ từ 50-70% và CO2 chiếm 20-40% (Lê Hoàng Việt, 2005; Rakičan, 2007; Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010; Ping et al., 2013). Kết quả đo đạc thành phần khí của đề tài có kết quả tương tự với các tác giả trên với CH4 từ 55,2% đến 72,1%; CO2 từ 18,5% đến 30,1%. Bảng 4.4: Thành phần khí sinh học qua các túi ủ khảo sát
Thành phần khí Thấp nhất Cao nhất Trung bình
CH4 % 55,2 72,1 64,4±5
CO2 % 18,5 30,1 24,6±4
H2S ppm 308 2912 1582±981
Các khí khác % 5,8 19,4 10,6±5
(số liệu trình bày: trung bình ± SE, n=10) Kết quả phân tích hàm lượng H2S trong các túi ủ cho thấy hàm lượng H2S dao động khá lớn từ 308 đến 2912 ppm. H2S là thành phần khí chiếm tỷ lệ khá thấp trong hỗn hợp khí nhưng lại quyết định đến chất lượng của khí sinh học. H2S có khả năng ăn mòn các thiết bị, dụng cụ bằng kim loại (Bergersen and Haarstad, 2008). Tiếp xúc lâu dài với H2S ở nồng độ thấp có thể gây ức chế hệ thống thần kinh trung ương, làm giảm trí lực ở người và động vật (Grady Semmens, 2004); gây các bệnh như tăng huyết áp, bệnh tim, giãn mạch máu, viêm và xơ vữa động mạch (Jia et al., 2011). Do vậy, một số nghiên cứu đã được thực hiện nhằm loại bỏ H2S ra khỏi hỗn hợp khí. Trong các nghiên cứu này, hàm lượng H2S trong hỗn hợp khí trước khi xử lý dao động trong khoảng 600 - 1500ppm (Xiaohui et al., 2008; Won et al., 2010). Hàm lượng H2S của các túi ủ khảo sát cao hơn so với các nguyên cứu của các tác giả trên, cho thấy nguồn khí này có thể được sử dụng tốt trong việc đánh giá khả năng loại bỏ H2S.
24
4.2.2 Lưu lượng khí sinh học
Kết quả khảo sát về lưu lượng khí sinh học được trình bày ở Bảng 4.5. Khi nông hộ sử dụng bếp biogas ở các mức: thấp, trung bình, mức cao để đun nấu, số liệu về lưu lượng khí sinh học sẽ được sử dụng để làm cơ sở cho thí nghiệm loại bỏ H2S trong hỗn hợp khí. Kết quả đo đạc cho thấy lưu lượng khí sinh học dao động từ 4,42±0,25 lít/phút (mức thấp) đến 16,46±0,54 lít/phút (mức cao) và trung bình là 10,44±0,38 lít/phút (Bảng 4.5).
Bảng 4.5: Kết quả khảo sát lưu lượng khí sinh học khi nông hộ sử dụng nấu ăn
Mức sử dụng bếp (lít/phút) Thấp nhất Cao nhất Trung bình
Mức thấp 4,2 4,8 4,42±0,25
Mức trung bình 10,0 11,0 10,44±0,38
Mức cao 15,7 17,2 16,46±0,54
(số liệu trình bày: trung bình ± SE, n=5) Khi các nông hộ sử dụng bếp ở mức thấp, lưu lượng khí sinh học dao động từ 4,2 đến 4,8 lít/phút, trung bình lưu lượng khí sinh học 4,42±0,25 lít/phút. Ở mức sử dụng bếp trung bình, có khoảng dao động lưu lượng từ 10 đến 11 lít/phút, trung bình lưu lượng khí sinh học 10,44±0,38 lít/phút. Ở mức sử dụng bếp cao, với khoảng dao động lưu lượng từ 15,7 lít/phút đến 17,2 lít/phút, trung bình lưu lượng khí sinh học 16,46±0,54 lít/phút. Như vậy nếu nông hộ sử dụng ở mức cao thì lưu lượng khí cao gấp 4 lần so với khi sử dụng ở mức thấp.
Đo đạc lưu lượng khí sinh học khi nông hộ sử dụng nấu ăn là cần thiết, nhằm làm cơ sở cho việc điều chỉnh lưu lượng qua lọc phù hợp trong thực hiện thí nghiệm loại H2S. Đồng thời, qua các giá trị lưu lượng đo đạc được có thể xác định được thể tích khí sinh học trung bình của một nông hộ sử dụng là bao nhiêu ứng với thời gian nấu ăn của nông hộ. Với kết quả khảo sát về thời gian nấu ăn trung bình của các nông hộ, trung bình là 4,4 giờ/ngày thì trung bình mỗi ngày nông hộ sử dụng khoảng 1,4 m3/ngày (với mức lưu lượng sử dụng trung bình). Đào Trọng Tín và Nguyễn Hữu Phong (2009) nghiên cứu về lưu lượng khí sinh học đối với các nông hộ sử dụng hầm ủ thì lưu lượng khí ở mức từ 8,33 đến 16,67 lít/phút. Kết quả của đề tài khá trùng khớp với các tác giả trên. Tuy nhiên, do đề tài đo trên túi ủ nên mức lưu lượng thấp nhỏ hơn nhiều so với ở hầm ủ.
Như vậy, các hộ khảo sát sử dụng khí sinh học cho nấu ăn ở lưu lượng từ 4,42±0,25 lít/phút đến 16,46±0,54 lít/phút (trung bình 10,44±0,38 lít/phút).
25
4.3 Khả năng loại bỏ H2S của cột lọc bằng phôi sắt
4.3.1 Hiệu suất loại H2S của các nghiệm thức với các lưu lượng khí sinh học khác nhau khác nhau
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở mức sử dụng thấp, tất cả các cột lọc (1,2,3,4kg) đều có hiệu suất loại bỏ H2S cao (từ 99,3% đến 99,56%) và không có sự khác biệt giữa các nghiệm thức (Hình 4.1). Ở mức lưu lượng trung bình, 3 nghiệm thức (2,3,4kg) vẫn giữ được hiệu suất loại bỏ H2S cao với các hiệu suất lần lượt là 99,23%, 99,67%, 99,7% và không có sự khác biệt về hiệu suất xử lý giữa các nghiệm thức này. Nghiệm thức 1kg có hiệu suất xử lý thấp hơn so với cả 3 nghiệm thức còn lại (P<0,05), với hiệu suất trung bình là 97,47%. Điều này cho thấy khi tăng lưu lượng lên mức 10.44 lít/phút thì cột lọc 1kg đã không còn giữ nguyên hiệu suất xử lý so với các cột lọc khác. Khi lưu lượng ở mức cao (16,44 lít/phút), nghiệm thức 1kg có hiệu suất giảm rõ rệt ở mức 86,13%, thấp hơn so với các nghiệm thức còn lại (P<0,05). Các nghiệm thức còn lại vẫn giữ được hiệu suất xử lý khá cao ở mức 97,21% (2kg), 99,23% (3kg), 99,54% (4kg) (P>0,05).
Hình 4.1: Hiệu suất loại H2S của các nghiệm thức khi thay đổi lưu lượng khí sinh học
Trong cùng một lưu lượng, các chữ cái khác nhau thể hiện sự khác biệt ở mức ý nghĩa 5% (Duncan) giữa các nghiệm thức có khối lượng phôi sắt khác nhau.
ns: non significant (khác biệt không có ý nghĩa).
Kết quả phân tích thống kê cho thấy, các nghiệm thức 1, 2, 3 kg đều không có sự khác biệt giữa 2 mức lưu lượng khí là 4,42 và 10,44 lít/phút, nhưng khác biệt so với mức lưu lượng 16,46 lít/phút (P<0,05). Nghiệm thức 4kg có hiệu suất ổn định, không bị ảnh hưởng bởi các lưu lượng khảo sát (P>0,05). Kết quả thí nghiệm cho thấy, cột lọc chứa phôi sắt có khả năng loại bỏ H2S khá cao. Tuy nhiên hiệu suất loại bỏ H2S phụ thuộc vào lưu lượng khí sinh học qua lọc và khối lượng sắt
b d ns a c a a c c 65 70 75 80 85 90 95 100 4.42 10.44 16.46 Hi ệu su ất loại H2 S (% )
Lưu lượng khí sinh học (lít/phút)
26
trong cột lọc. Cột 4kg có hiệu suất loại bỏ H2S tốt nhất trong các cột và có khả năng giữ ổn định hiệu suất khi lưu lượng khí thay đổi. Sự thay đổi hiệu suất loại H2S của phôi sắt khi thay đổi lưu lượng khí sinh học qua lọc có thể được giải thích bằng thời gian tiếp xúc giữa phôi sắt và H2S. Thời gian tiếp xúc càng lâu thì khả năng loại bỏ H2S càng cao.
Tóm lại, hiệu suất loại H2S của các nghiệm thức không khác biệt ở lưu lượng 4,42 lít/phút. Ở lưu lượng 10,45 lít/phút và 16,46 lít/phút nghiệm thức 2 kg, 3 kg và 4 kg phôi sắt có hiệu suất loại H2S không khác biệt, nhưng khác biệt có ý nghĩa so với nghiệm thức 1 kg phôi sắt. Hiệu suất của các cột lọc 1, 2, 3 kg phôi sắt không khác biệt ở các mức lưu lượng 4,42; 10, 44 lít/phút nhưng khác biệt ở mức lưu lượng 16,44 lít/phút. Cột 4kg có hiệu suất ổn định, không khác biệt giữa 3 lưu lượng.
4.3.2 Nồng độ H2S trong khí sinh học sau khi xử lý bằng cột phôi sắt
Kết quả thí nghiệm về nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc của các nghiệm thức được trình bày ở Hình 4.2. Nhìn chung, nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc của các nghiệm thức thay đổi khi điều chỉnh lưu lượng khí qua cột lọc.
Hình 4.2: Nồng độ của H2S sau lọc đối với các nghiệm thức ở các lưu lượng khác nhau
Nồng độ H2S đầu vào ≥5000 ppm.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, với nồng độ H2S đầu vào ≥5000 ppm nhưng sau khi được dẫn qua các cột lọc chứa từ 1 kg đến 4 kg phôi sắt có nồng độ H2S sau lọc giảm rất thấp, tương ứng với các mức nồng độ 24, 18, 15, 14 ppm (với lưu lượng 4,42 lít/phút). Khi lưu lượng tăng lên 10,44 lít/phút thì nồng độ H2S đầu ra ở các nghiệm thức tương ứng là 127, 39, 17, 15 ppm. Sự khác biệt về nồng độ H2S
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1.0 2.0 3.0 4.0 Nồng đ ộ H2 S ( p p m )
Khối lượng phôi sắt (kg)
Lưu lượng 4,42 (lít/phút) Lưu lượng 10,44 (lít/phút) Lưu lượng 16,46 (lít/phút)
27
trong khí đầu ra thể hiện rõ nhất ở mức lưu lượng 16,45 lít/phút, với nồng độ H2S lần lượt là 693, 139, 38, 23 ppm tương ứng với các nghiệm thức 1, 2, 3, 4 kg. Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ H2S trong khí sinh học của nghiệm thức 4 kg phôi sắt là thấp nhất và ổn định nhất so với ba nghiệm thức còn lại (1 kg, 2 kg, 3 kg phôi sắt).
Với lưu lượng khí sinh học là 4,42 lít/phút nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc của các nghiệm thức ở mức rất thấp (dưới 30ppm), cao nhất là nghiệm thức 1kg phôi sắt (24ppm) và thấp nhất là nghiệm thức 4kg phôi sắt (14ppm) (Hình 4.2). Với mức lưu lượng 10,44 lít/phút nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc của các nghiệm thức bắt đầu tăng lên, tăng nhiều nhất là nghiệm thức 1 kg phôi sắt (127ppm), kế đến là nghiệm thức 2 kg (39ppm). Tuy nhiên, với lưu lượng này thì nghiệm thức 3kg và 4kg phôi sắt có nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc tăng không đáng kể so với lưu lượng 4,42 lít/phút (17ppm với nghiệm thức 3kg và 15ppm với nghiệm thức 4 kg phôi sắt). Khi điều chỉnh lưu lượng khí sinh học lên 16,46 lít/phút, nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc của nghiệm thức 1kg và 2kg phôi sắt tiếp tục tăng lên. Nghiệm thức 1kg tăng lên 693ppm và nghiệm thức 2kg tăng lên 139ppm. Tuy nhiên, với lưu lượng 16,46 lít/phút thì nghiệm thức 3kg và 4kg phôi sắt vẫn duy trì được nồng độ H2S ở mức thấp 38ppm với nghiệm thức 3kg phôi sắt và thấp nhất là nghiệm thức 4kg phôi sắt với nồng độ H2S là 23ppm. Như vậy, khi khối lượng phôi sắt sử dụng lọc càng lớn hay lưu lượng khí sinh học qua lọc càng nhỏ thì nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc càng giảm thấp.
Với kết quả về nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc đã đạt được với nồng độ thấp nhất là 14 ppm (trong khi nồng độ đầu vào ≥5000 ppm), so với nồng độ H2S trong khí sinh học sau lọc trong nghiên cứu của Greer and Diane (2010) sử dụng phương pháp lọc sinh học với giá thể là chất hữu cơ có nồng độ H2S sau khi qua hệ thống là 50 ppm (với nồng độ H2S đầu vào 4000 ppm) và nghiên cứu của Xiaohui et al. (2008) sử dụng vật liệu lọc là oxit sắt với nồng độ H2S sau lọc là 50 ppm (trong khi nồng độ đầu vào là 1000 ppm). Có thể thấy rằng, phương pháp sử dụng phôi sắt làm vật liệu loại H2S cho hiệu quả cao hơn so với hai phương pháp được sử dụng trong hai nghiên cứu kể trên.
Như vậy, với nồng độ H2S trong khí sinh học đầu vào ≥5000 ppm, sau khi qua cột lọc có nồng độ giảm ở mức rất thấp ở các nghiệm thức (thấp nhất là nghiệm thức 4 kg phôi sắt 14 ppm). Lưu lượng càng thấp thì khả năng xử lý H2S của các cột càng cao. Nghiệm thức có khối lượng phôi sắt càng cao thì hiệu quả loại H2S càng tốt vì có thời gian tiếp xúc giữa H2S và lượng phôi sắt trong cột lâu hơn.
4.4 Kết quả thử nghiệm tại nông hộ
Cột lọc chứa 4 kg phôi sắt được lắp đặt vận hành thử nghiệm ở 3 nông hộ sử dụng khí sinh học cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về mùi hôi giữa khí sinh học trước
28
và sau khi qua cột lọc. Cả 3 hộ sử dụng đều đánh giá mùi hôi hoàn toàn biến mất đối với khí sinh học đã qua cột lọc. Kết quả đo đạc H2S ở nông hộ cho thấy, lượng H2S trung bình trong hỗn hợp khí trước khi xử lý dao động trong khoảng 600-1300 ppm. Sau khi qua cột nồng độ H2S luôn ở mức thấp, trung bình khoảng 32 ppm (tính đến ngày thứ 35) (Hình 4.3). Các hoạt động sử dụng khí sinh học để nấu ăn tại các hộ không có sự thay đổi so với trước khi lắp cột lọc. Tuy nhiên, một trở ngại gặp phải khi ứng dụng cột lọc ở nông hộ là cột lọc có khả năng gây cản trở khi túi không đủ khí, do đó hạn chế ảnh hưởng đến việc sử dụng khí sinh học trong đun nấu tại các hộ bố trí cột lọc thử nghiệm.
Hình 4.3: Khả năng duy trì hiệu suất của cột lọc bố trí
Ghi chú: số liệu trình bày là số liệu trung bình của 3 cột lọc bố trí
Kết quả bố trí thử nghiệm cột lọc được trình bày ở Hình 4.3 cho thấy, khả năng duy trì hiệu suất loại H2S của phôi sắt là rất tốt. Hiệu suất đạt >90% ở ngày thứ 35 kể từ thời điểm bố trí cột lọc. Nồng độ H2S đầu vào dao động lớn giữa các thời điểm thu mẫu. Trong khi, nồng độ H2S sau lọc ít dao động và có xu hướng ổn định giữa các thời điểm thu mẫu (trước ngày thứ 35). Kết quả cho thấy phôi sắt có