Giải pháp tái sử dụng năng lượng từ chất thải chăn nuôi lợn bằng cách sản

sản xuất khí sinh học (KSH)

3.1.1.1. Giới thiệu chung về công trình KSH

Giải pháp tái sử dụng năng lượng từ chất thải chăn nuôi lợn bằng cách sản xuất KSH từ chất thải chăn nuôi lợn được sử dụng rất phổ biến tại Việt Nam. Có đến 90% số trang trại nuôi lợn tại Hà Nội sử dụng mô hình sản xuất KSH để tái sử dụng năng lượng và xử lý chất thải.

Cho tới nay người ta đã sáng chế ra rất nhiều loại thiết bị sản xuất KSH khác nhau, nhưng nói chung các thiết bị khí sinh học (TBKSH) gồm những phần chính như mô tảở hình 3.1 dưới đây.

Như mô tảở hình 3.1 ta thấy về cơ bản công trình KSH gồm có các bộ phận chính là: (1) Đầu vào là nơi nạp nguyên liệu mới vào bể phân huỷ; (2) Hầm phân huỷ (digester, còn gọi là hầm phản ứng-reactor) có chức năng chứa nguyên liệu và tạo môi trường cho quá trình phân huỷ kỵ khí xảy ra một cách thuận lợi; (3) Bộ phận chứa khí có chức năng thu và giữ KSH sinh ra để sử dụng khi cần thiết; (4) Đầu lấy khí ra từ bộ phận chứa khí; (5) Đầu ra là nơi lấy nguyên liệu đã phân huỷ ra khỏi hầm phân huỷ.

Về nguyên lý hoạt động thì dịch phân (bao gồm phân, nước tiểu và nước pha loãng) từ hệ thống chuồng trại được thu gom và được dẫn trực tiếp vào hầm phân hủy. Trong điều kiệm yếm khí, chất thải hữu cơ sẽ bị phân hủy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ trong hầm phân hủy xảy ra qua 3 giai đoạn: giai đoạn thủy phân và lên men, giai đoạn axit hóa và giai đoạn mêtan hóa (hình 3.2). Nhiệt độ tối ưu trong hầm phân hủy thông thường là 35oC đến 55oC. Tùy từng loại hầm, bên trong hầm có thểđược gắn thiết bịđảo trộn để đảm bảo đảo chất thải được trộn đều, tránh tạo các lớp hoặc lắng cặn và đảm bảo cung cấp đủ dinh dưỡng cho hoạt động của các vi sinh vật. Thời gian lưu của phân trong hầm từ 8-55 ngày tùy thuộc vào từng loại chất thải và loại thiết bị KSH nhau [23].

(2) (3)

(1) (5)

Trong quá trình phân hủy yếm khí, tùy thuộc vào thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi, thời gian lưu nước, tải trọng hữu cơ, nhiệt độ…mà tỉ lệ thành phần KSH sinh ra có thể khác nhau (bảng 3.1).

Bảng 3.1. Tỉ lệ phần trăm các khí trong biogas [23]

STT Khí Tỉ lệ (%) 1 CH4 55-65 2 CO2 35-45 3 N2 0-3 4 H2 0-1 5 H2S 0-1

Tùy theo mục đích sử dụng, khí sinh học được tạo ra sẽ được dẫn đi sử dụng trực tiếp hoặc được lọc trước khi sử dụng. Hàm lượng BOD, COD của nước thải sau quá trình xử lý yếm khí trong hầm biogas thường giảm 80-90% so với ban đầu,

Axít béo

monosarcarid aminoaxít Purin Pyrimidin Axít propionic Axít butyric Axít lactic Axít succinic HCOOH, CH3COOH, (CH3)3N

(Nguyên liệu của quá trình mêtan hóa)

CH4, CO2, H2O Giai đoạn thủy phân và lên men Giai đoạn axit hóa Giai đoạn mêtan hóa

các chất hữu cơ trong chất thải được chuyển hóa thành các chất vô cơ dễ tiêu [5]. Phần chất thải chưa được xử lý triệt để ở giai đoạn xử lý yếm khí có thể được tận dụng bón cho cây trồng hoặc nuôi cá, nếu không thì cần tiếp tục được xử lý (thường được xử lý bằng ao hồ tùy tiện) để đảm bảo đủ tiêu chuẩn trước thi thải ra môi trường.

3.1.1.2. Giới thiệu một số công trình KSH có công suất phù hợp cho xử lý chất thải chăn nuôi lợn ở quy mô trang trại

a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số công trình KSH

Các công trình KSH có quy mô nhỏ chỉ thích hợp cho chăn nuôi quy mô hộ gia đình, các công trình đã áp dụng nhưng không có hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật hoặc các công trình vẫn đang trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm thì không được xem xét giới thiệu. Các công trình KSH dưới đây là các công trình KSH đã được áp dụng ở nhiều nơi có công suất phù hợp cho xử lý chất thải chăn nuôi lợn ở quy mô trang trại.

1/ Công trình KSH dạng bể vòm cầu nắp cốđịnh [13]

Công trình KSH dạng bể vòm cầu nắp cốđịnh được áp dụng khá phổ biến tại các trang trại. Theo kết quả điều tra của dự án “Khảo sát đánh giá các loại mô hình KSH quy mô vừa“ của Văn phòng dự án KSH trung ương thì đối với các trang trại sử dụng các công trình KSH thì công trình loại này chiếm tới 76%. Dưới đây là sơ đồ công nghệ công trình KSH dạng bể vòm cầu nắp cốđịnh (hình 3.3).

(2)

Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ công trình KSH dạng bể vòm cầu nắp cố định (3)

(1) (4)

(5) (6)

Công trình gồm các phần chính sau: (1) Cửa nạp liệu; (2) Bộ phận phân hủy; (3) Bộ phận chứa khí (Bộ phận phân hủy và bộ phận chứa khí gắn liền với nhau ở một bể kín gọi chung là bể phân hủy); (4) Ống lấy khí; (5) Bểđiều áp.

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải rửa chuồng có lẫn phân, nước tiểu của lợn được đưa vào cửa nạp liệu, từ cửa nạp liệu chất thải được đưa qua ống dẫn thẳng xuống gần đáy bể phân hủy tạo thành van thủy lực, không cho KSH thoát ra theo đường ống nạp liệu. Phần lớn thể tích bên trong bể phân hủy là để chứa phân, tại đây chất thải được phân hủy và tạo KSH thoát lên phía trên phần vòm là nơi chứa khí và được thu vào ống dẫn mang đi sử dụng. Khí sinh ra sẽ chiếm chỗ của dịch phân trong bể xử lý chính bằng cách đẩy dịch phân này sang bểđiều áp qua ống lối ra. Khí càng nhiều thì mực dịch phân dâng lên trong bể điều áp càng cao, cho đến khi mực dịch phân này dâng tới mức xả tràn thì áp suất khí trong bể xử lý chính đạt giá trị lớn nhất. Phần dịch tràn ra khỏi bểđiều áp được xem là đã được xử lý cấp 1 [13].

2/ Công trình KSH dạng bể nhiều ngăn nắp kín [13]

Công trình KSH dạng bể nhiều ngăn nắp kín cũng được áp dụng khá phổ biến, dựa trên nguyên tắc phân hủy yếm khí dạng bể phốt. Về cấu tạo thì công trình KSH dạng này được chia thành nhiều ngăn (từ 3-7 ngăn), các ngăn thường có hình chữ nhật. Sơđồ nguyên tắc của công nghệ này như sau (hình 3.4).

Ngăn phản ứng 1 Ngăn phản ứng 2 Ngăn phản ứng 3 Nước ra hồ chứa Thu KSH Thu cặn Nước thải vào

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải rửa chuồng và phân lợn sau khi pha loãng khoảng 4% được dẫn vào ngăn đầu tiên của hệ thống. Ngăn này có tác dụng như là một bểđiều hòa nồng độ và lắng các cặn vô cơ. Tại bể này bắt đầu xảy ra quá trình lên men yếm khí. Hỗn hợp bùn và phân tiếp tục chảy sang các ngăn tiếp theo để thực hiện quá trình phân hủy, qua các ngăn cặn không có khả năng phân hủy được lắng dần xuống đáy bể cho đến ngăn cuối cùng thì hàm lượng cặn thoát ra cùng dòng nước thải đã giảm đáng kể. Phần khí liên tục được sinh ra từ các ngăn thu gom qua ống dẫn từ nắp bể.

3/ Công trình KSH dạng hồ phủ bạt HDPE [13]

Công nghệ này hiện nay mới bắt đầu áp dụng tại Việt Nam và chủ yếu được áp dụng các loại hình xử lý chất thải công nghiệp thực phẩm như: chế biến sắn, bột mỳ chính, sản xuất rượu... Với quy mô công trình khá lớn từ 1.000-50.000 m3/hồ.

Công trình KSH dạng hồ phủ bạt HDPE thường có 2 ngăn được phủ bạt là ngăn phản ứng và ngăn lắng (hình 3.5). Đáy hồ được rải một lớp bạt chống thấm sau đó phủ một lớp đất sét và đầm nén để tránh bạt bị xô và rách do lực kéo. Nước thải sau xử lý từ ngăn lắng được đưa ra hồ sinh học để xử lý tiếp.

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải từ chuồng trại được đưa vào hồ theo phương ngang hoặc từ đáy hồ tùy theo thiết kế của từng trại. Nước thải được phân hủy tại ngăn thứ nhất tạo khí biogas làm lớp bạt HDPE phồng lên tạo khoang chứa khí lớn. Khí được lưu trữ tại bề mặt của hồđược dẫn đi sử dụng. Phần nước thải sau

Ngăn phản ứng Ngăn lắng Hồ sinh học Nước ra Thu KSH Thu cặn Nước thải vào Hình 3.5. Công trình KSH dạng hồ phủ bạt HDPE

khi phân hủy tại ngăn thứ nhất được chảy sang ngăn thứ 2. Tại ngăn thứ 2 tại đây chất rắn, cặn, bùn trong nước thải bị lắng thêm lần nữa trước khi đưa sang các hạng mục xử lý khác như hồ sinh học hoặc thải ra môi trường

4/ Công trình KSH dạng ống [13]

Công trình KSH dạng ống được Viện năng lượng thiết kế và đã được chuyển giao tới một số trang trại chăn nuôi, quy mô công trình tới vài trăm m3 (hình 3.6). Về cấu tạo công trình gồm các phần chính sau: (1) Cửa nạp liệu; (2) Phần phân hủy; (3) Phần chứa khí (phần chứa khí và phần phân hủy gắn liền với nhau ở một bể kín gọi chung là bể phân hủy); (4) Ống lấy khí; (5) Bểđiều áp.

Như vậy, về cấu tạo công trình KSH này cũng bao gồm các bộ phận như công trình dạng bể vòm cầu nắp cốđịnh. Tuy nhiên bể phân hủy được làm theo hình ống, kéo dài và được chia thành 3 ngăn, các ngăn được thông với nhau bởi cửa thông ở phía dưới các vách ngăn.

Nguyên tắc hoạt động: Dịch phân lợn (bao gồm hỗn hợp phân, nước tiểu, nước pha loãng) được đưa vào hệ thống mương dẫn đưa vào bể nạp nguyên liệu và được ống dẫn thẳng xuống gần đáy của ngăn thứ nhất trong bể phân hủy, những phần tử hữu cơ bị phân hủy mạnh ở ngăn thứ nhất sẽ lắng xuống phía dưới chảy sang ngăn thứ 2, ở ngăn thứ 2 chất thải tiếp tục được phân hủy yếm khí, phần chất thải bị phân hủy tại ngăn thứ 2 bị lắng xuống và tiếp tục được chảy sang ngăn thứ 3. Phần lớn thể tích bên trong bể phân hủy là để chứa phân, tại đây chất thải được

(1) (2) (3) (4) (5) Ngăn 1 Ngăn 1 Ngăn 3 Hình 3.6. Công trình KSH dạng ống

phân hủy và tạo KSH thoát lên phía trên phần vòm và được thu vào ống dẫn mang đi sử dụng. Khí sinh học được sinh ra sẽ chiếm chỗ của dịch phân giải trong bể xử lý chính bằng cách đẩy dịch phân này sang bểđiều áp qua ống lối ra tại ngăn thứ 3. Khí càng nhiều thì mực nước dâng lên trong bể điều áp càng cao, cho tới khi mực nước này dâng tới mức xả tràn thì áp suất khí trong bể đạt giá trị lớn nhất. Phần nước tràn ra khỏi bểđều áp như vậy được xem là xử lý cấp 1.

5/ Công trình bể biogas nắp nổi Trung Quốc [16]

Đối với các trang trại có quy mô lớn thì ngoài một số loại công trình khí sinh học có thể áp dụng như công trình dạng hồ phủ bạt, dạng ống... thì công trình bể biogas nắp nổi kiểu Trung Quốc (hình 3.7) cũng là công trình thích hợp cho việc xử lý tại các trang trại có quy mô lớn.

Hình 3.7. Công trình bể biogas nắp nổi kiểu Trung Quốc

Công trình bao gồm các bộ phận chính sau: (1) Ngăn chứa dịch phân; (2) Bộ phận phân hủy; (3) Bộ phận chứa khí (bộ phận chứa khí và bộ phận phân hủy gắn liền với nhau ở một bể kín gọi chung là bể phân hủy); (4) Ống lấy khí; (5) Bộ phận

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

điều áp: Nơi chứa dịch phân giải bị khí chiếm chỗđể tạo ra áp suất khí; (6) Bể lắng cặn; (7) Hồ sinh học.

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải rửa chuồng có lẫn phân, nước tiểu của gia súc được bơm vào phía đáy bể xử lý chính. Tại đây chất thải được phân hủy và tạo KSH thoát lên phía trên phần vòm chứa khí và được thu vào ống dẫn mang đi sử dụng. Khí sinh ra sẽ chiếm chỗ của dịch phân trong bể xử lý, khí sinh ra nhiều sẽ tạo áp lực đẩy dịch phân qua ống dẫn lên phía trên của bể, cho đến khi mực dịch phân này dâng tới mức xả tràn nó sẽ được xả vào bể lắng cặn, nước từ bể lắng cặn sẽđược đưa vào các hệ thống hồ sinh học để xử lý tiếp.

b. Ưu nhược điểm của các công trình KSH

Mỗi công trình KSH đều có ưu, nhược điểm riêng. Dựa vào các ưu nhược điểm của từng công trình và căn cứ vào điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội và đặc biệt là thực trạng chăn nuôi quy mô trang trại tại Hà Nội, ta sẽ có cơ sởđề xuất các công trình KSH thích hợp cho các trang trại chăn nuôi lợn tại Hà Nội. Bảng 3.2 dưới đây mô tảưu nhược điểm của một số công trình KSH.

ĐỗĐăng Khoa, khóa 2008-2010 80 Bảng 3.2. Ưu nhược, điểm của các công trình KSH [20, 16] TT Công trình Ưu điểm Nhược điểm 1 Công trình dạng bể vòm cầu nắp cố định - Ít tốn vật liệu, vật liệu xây dựng phổ biến, rẻ tiền. - Khả năng chịu lực tốt,.

- Vận hành công trình đơn giản, hiệu suất sinh khí cao.

- Bể phân hủy có nhiệt độ ổn định, ít chịu ảnh hưởng của thời tiết lạnh về mùa đông.

- Bề mặt phần giữ khí là đới cầu có diện tích nhỏ nhất và không có góc cạnh nên giảm tổn thất khí và hạn chế nguy cơ rạn nứt. - Bề mặt dịch phân hủy luôn lên xuống, diện tích liên tục thu hẹp lại và mở rộng ra nên hạn chế hình thành váng.

Khó bảo trì, bảo dưỡng và phát hiện rò rỉ do xây dựng ngầm hoàn toàn.

2 Công trình dạng bể nhiều ngăn nắp kín - Thi công, lắp đặt dễ dàng. - Vật liệu xây dựng đa dạng (gạch thẻ hoặc gạch xi) có thể dùng tấm đan, đổ bê tông trần hoặc phủ bạt.

- Dễ cải tạo, nạo vét bùn cho từng ngăn. - Vận hành đơn giản, ít tắc nghẽn đường ống.

- Khả năng giữ nhiệt kém, bể có nhiều góc chết làm hiệu suất thu khí thấp.

- Kiểm soát quá trình thu khí khó khăn, thất thoát khí lớn, nếu là nắp bê tông cốt thép hay phủ bạt thường bị hở giữa các mối hàn

ĐỗĐăng Khoa, khóa 2008-2010

81

hay bề mặt bê tông và tường xây. 3 Công trình

dạng hồ phủ

bạt HDPE

- Thời gian thi công nhanh, kinh phí đầu tư thấp. - Hiệu quả thu khí cao.

- Khả năng tích trữ khí tốt do tận dụng được độ co dãn của vải phủ.

- Vận hành đơn giản, ít tắc nghẽn đường ống.

- Khó thi công, tốn nhiều diện tích.

- Khả năng giữ nhiệt kém, khả năng cháy nổ cao, thời gian lưu lớn. - Khó kiểm soát bùn cặn trong hồ, khả năng thu bùn khó khăn, khó phát hiện các vị trí rò rỉ khí, khó kiểm soát thấm ngấm tại đáy hồ. 4 Công trình dạng ống

- Thời gian thi công nhanh.

- Khả năng giữ nhiệt tốt, hiệu quả thu khí cao. - Vận hành đơn giản, mức độ an toàn cao. - Ít tắc nghẽn đường ống, dễ nạo vét bùn cặn. - Khó phát hiện rò rỉ. - Khó kiểm soát thấm ngấm tại đáy bể. 5 Công trình dạng nắp nổi Trung Quốc

- Độ bền cao do được xây bằng xi măng, cốt thép và được xây chìm một phần xuống đất.

- Do hệ thống được lắp thêm bộ khuấy đảo trong bể xử lý chính và hệ thống làm nóng nên khả năng xử lý chất thải rất tốt (hiệu suất phân giải 80-85%), hiệu suất sản xuất KSH cao, thời gian lưu ngắn (8-10 ngày).

- Chi phí xây dựng cao. - Vận hành phức tạp.

ĐỗĐăng Khoa, khóa 2008-2010

82

c. Kết luận và đề xuất áp dụng loại công trình KSH phù hợp cho các trang trại chăn nuôi tại Hà Nội

Qua phân tích ưu nhược điểm ở trên và qua khảo sát thực tế ta thấy công trình dạng bể nhiều ngăn nắp kín và công trình dạng hồ phủ bạt HDPE do được thiết