1.2.2.1. Khái niệm về biogas sinh học a) Khái niệm
Công nghệ biogas là công nghệ sử dụng các quá trình phân huỷ các chất hữu cơ (như: phân ựộng vật, nước thải của các lò mổ) trong môi trường yếm khắ. Sản phẩm của quá trình phân huỷ kỵ khắ là hỗn hợp các khắ (gọi là khắ sinh học) và bã thải (Nguyễn Quang Khải, 2009).
Khắ sinh học cháy với ngọn lửa xanh lơ nhạt và không khói, ựược dùng ựể tạo năng lượng phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt. Bã thải có thể dùng trực tiếp làm phân bón cho các loại cây trồng, làm thức ăn bổ sung ựể nuôi thuỷ sản mang lại hiệu quả kinh tế caọ
b) Thành phần
Thành phần KSH tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu tham gia vào quá trình phân giải và các ựiều kiện môi trường trong quá trình ựó. Nhìn chung thành phần của KSH gồm rất nhiều chất, có thành phần chủ yếu là CH4 và CO2 (Cục Chăn nuôi, 2011).
Bảng 1.12. Thành phần của khắ sinh học
Loại khắ Tỷ lệ (%) Loại khắ Tỷ lệ (%)
Metan CH4 50 Ờ 70 Hidro H2 0 Ờ 3
Cacbonic CO2 30 Ờ 45 Oxy O2 0 Ờ 3
Nito N2 0 Ờ 3 Hidro sunfua H2S 0 - 3
Nguồn: Công nghệ khắ sinh học quy mô hộ gia ựình Khắ metan (CH4): là thành phần chủ yếu chiếm tỷ lệ cao nhất. Nó cũng là thành phần chủ yếu của khắ gas thiên nhiên (thường chiếm trên 90%). Metan nguyên chất không mùi, nhưng khi ựược dùng trong công nghiệp, nó thường ựược trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etyl mecaptan ựể dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ. Một mét khối metan ở áp suất thường có khối lượng 717g. Metan hoá lỏng ở hóa lỏng ở -162 ồC, hóa rắn ở nhiệt ựộ -183 ồC và rất dễ cháy (Bách khoa toàn thư mở, 2013) , việc hoá lỏng metan rất tốn năng lượng.
Khi cháy metan có ngọn lửa màu xanh lơ nhạt và sinh nhiều nhiệt lượng. Nhiệt trị của metan là 35.906 kJ/m3 = 8.576 kcal/m3. đốt cháy 1 mol metan có mặt oxy sinh ra 1 mol CO2 (cacbon dioxit) và 2 mol H2O (nước):
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 882kJ
Metan là một khắ gây hiệu ứng nhà kắnh, trung bình cứ 100 năm mỗi kg metan làm ấm trái ựất gấp 23 lần 1 kg CO2 (Bách khoa toàn thư mở, 2013) .
Khắ cacbonic: là thành phần chủ yếu thứ hai của KSH. Khắ này không mùi, không cháy ựược, không duy trì sự sống, nặng gấp rưỡi không khắ, khi tỷ lệ cao sẽ làm giảm chất lượng của KSH.
Khắ hidro sunfua: Không màu, có mùi trứng thối, do ựó khiến cho KSH có mùi hôi, giúp chúng ta dễ nhận biết KSH bằng khứu giác. Nồng ựộ H2S trong KSH
sản xuất từ chất thải người và gia cầm thường cao hơn các nguyên liệu khác. Tuy nhiên, H2S có thể cháy ựược do ựó khi ựốt sẽ hết mùi hôị Khắ này rất ựộc, nếu ngửi nhiều sẽ ựau ựầu, buồn nôn, không phân biệt ựược các mùi khác nhaụ
c) Tắnh chất của khắ sinh học
KSH là một khắ ướt vì nó chứa hơi nước bão hoà bay hơi từ dung dịch phân giảị Hơi nước sẽ ngưng tụ trong ựường ống và cần ựược loại bỏ. Vì thành phần của KSH thay ựổi, nên các tắnh chất của nó cũng thay ựổi, người ta thường lấy tỉ lệ phổ biến của khắ metan là 60%. KSH với 60% metan, 40% cacbonic có khối lượng riêng là 1,2196 kg/m3 và tỷ trọng so với không khắ là 0,94. Như vậy KSH nhẹ hơn không khắ, nhiệt trị của KSH chủ yếu ựược xác ựịnh bằng hàm lượng metan trong thành phần của nó. Với hàm lượng metan 60% thì KSH có nhiệt trị là 5.146 Kcal/m3 (Nguyễn Quang Khải, 2009).
1.2.2.2. Vai trò của biogas sinh học
Nước thải và chất thải trong sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt gia ựình là các hợp chất hữu cơ có phần tử lớn. Các chất này trong ựiều kiện nóng ẩm sẽ bị phân hoá nhanh sinh ra năng lượng và chất hữu cơ có phần tử nhỏ hơn hoặc các chất vô cơ. Trong ựiều kiện tự nhiên không ựược kiểm soát và tập trung thì quá trình này sẽ làm ô nhiễm môi trường. Ngược lại nếu các chất thải ựó ựược xử lý hợp lý sẽ tạo ra nguồn năng lượng tái sinh hữu ắch và các chất dinh dưỡng dễ hấp thụ cho cây trồng vật nuôi, làm nguyên liệu cho chu trình sản xuất khép kắn tiếp theo trong hệ sinh thái mô hình VAC. Thiết bị KSH có vai trò rất quan trọng trong nông nghiệp nông thôn hiện nay:
- Tạo nguồn năng lượng tái sinh rẻ tiền và sạch phục vụ ựời sống con ngườị - Giữ gìn và bảo vệ môi trường vệ sinh trong sạch các khu vực cộng ựồng nông thôn qua ựó góp phần bảo vệ môi trường bảo vệ sức khoẻ toàn xã hộị
- Giảm chặt cây rừng lấy củi: sử dụng Biogas sẽ hạn chế nạn chặt cây lấy củi ựun với mục ựắch tự cấp và thương mại nhất là ở khu vực trung du miền núị
- Tăng thu nhập cho các hộ gia ựình thông qua việc giảm chi phắ về nhu cầu chất ựốt phục vụ sinh hoạt.
- Tận dụng nguồn phân gia súc làm phân bón hữu cơ góp phần tắch cực vào công tác giảm thiểu chất thải rắn ở nông thôn. Qua ựó giảm bớt sự thoái hoá và cải thiện ựất trồng, nâng cao năng xuất cây trồng và nuôi cá trong hệ thống VAC gia ựình.
- Hỗ trợ phát triển chăn nuôi tốt hơn, tạo ựiều kiện nâng cao mức sống và tiếp cận ựiệu kiện văn minh ựô thị cho người dân nông thôn trong việc cải tạo hố xắ gia ựình, sử dụng khắ sinh học vào việc nội trợ.
- Giảm sức lao ựộng của phụ nữ, trẻ em trong công việc nội trợ.
1.2.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt ựộng a) Cấu tạo
Hiện nay có rất nhiều kiểu xây dựng hầm biogas khác nhau: hầm ủ chung với bình gas, hầm có bình gas nổi, hầm có bình gas rời, loại xây bằng gạch, loại sử dụng bằng nhựa,... nhưng cấu tạo chung của hầm có ba phần chắnh (Nguyễn Quang Khải, 2009):
- Hệ thống nạp nguyên liệu ựể dẫn chất thải từ chuồng trại chăn nuôi ựến hầm khắ. Tuỳ thuộc vào từng mô hình biogas mà hệ thống nạp có thể thống qua máng dẫn hoặc dẫn trực tiếp.
- Hầm phân huỷ là bộ phận chắnh của hầm, nơi chứa hỗn hợp vật chất và nước. Tại ựây xảy ra hai giai ựoạn của quá trình lên men, sản phẩm tạo thành là khắ biogas.
- Bể thuỷ lực (bể áp) là một bộ phận chứa nguyên liệu ựã phân huỷ rồi xả ra ngoài, ựồng thời ựóng vai trò ựiều áp.
Kiểu KT1 Kiểu KT2
Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị khắ sinh học nắp cố ựịnh kiểu KT1 và KT2
ựây, ựược sự hỗ trợ của Chắnh phủ Hà Lan, ở nước ta kiểu hầm nắp cố ựịnh ựược phát triển mạnh nhất. đối với loại nắp cố ựịnh thường áp dụng hai kiểu phổ biến là xây bằng gạch (chủ yếu là KT1 và KT2) và loại chế tạo sẵn. Kiểu KT1 ựược ứng dụng tại những vùng có nền ựất tốt, mực nước ngầm thấp, có thể ựào sâu và diện tắch mặt bằng hẹp. Kiểu KT2 phù hợp với những vùng có nền ựất yếu, mực nước ngầm cao, khó ựào sâu và diện tắch mặt bằng rộng. đối với loại chế tạo sẵn ựược làm bằng nhựa compositẹ
b) Nguyên lý hoạt ựộng
Khi một lượng sinh khối ựược lưu giữ trong môi trường kắn vài ngày sẽ chuyển hóa và sản sinh ra các chất khắ (khắ sinh học) có khả năng cháy ựược với thành phần chắnh là mêtan (CH4) và cacbondioxide (CO2). Quá trình này ựược gọi là quá trình lên men kỵ khắ hay quá trình sản xuất khắ metan sinh học.
Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải ựộng vật sẽ ựược các vi sinh vật kỵ khắ, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dưỡng cơ bản có ắch cho thực vật và ựất mùn. Quá trình này ựòi hỏi một số ựiều kiện tối ưu như ựộ ẩm, nhiệt ựộ, bóng tốiẦ trong hầu hết các giai ựoạn của quá trình phân hủy, không có sự hiện diện của oxy từ môi trường không khắ, sự tồn tại của vi khuẩn kỵ khắ chiếm ưu thế, chuyển hóa các hợp chất dạng hydrocacbon. Các thành phần dinh dưỡng như hợp chất chứa nito dạng hòa tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân hủy và là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng cho ựất.
Quá trình phân hủy kỵ khắ diễn ra qua 3 giai ựoạn chắnh: thủy phân, khử axit và lên men mêtan (Nguyễn Quang Khải, 2009). Các giai ựoạn này ựược thực hiện bởi 2 loại vi khuẩn: vi khuẩn axit hóa và vi khuẩn metan hóạ
Vi khuẩn lên men Vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn metan hóa
Hình 1.4. Sơ ựồ các bước của quá trình tạo khắ metan
* Giai ựoạn tạo axit (thủy phân):
Protein Cacbonhydrat Chất béo Axit acetic Axit HC yếu Rượu
Axit acetic Biogas CH
4
và CO2
Trong giai ựoạn thủy phân, các vi khuẩn tiết ra men hidrolaza phân huỷ chất hữu cơ, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị khử thành các monome (phân tử cơ bản) như: chất béo thành axit béo, protein thành amino axit, Hydratcacbon thành ựường .
Sản phẩm của giai ựoạn này sẽ ựược các vi khuẩn lên men chuyển hóa, hình thành các sản phẩm như: Hidro, H2O, CO2, NH4, H2S; Axit acetic CH3COOH; Rượu và các axit hữu cơ yếụ
* Giai ựoạn khử axit
Trong bước này vi khuẩn acetogleic sẽ chuyển hóa rượu và các axit hữu cơ yếu thành các sản phẩm sau: Hidro, H2O, CO2; Axit acetic CH3COOH.
* Giai ựoạn tạo CH4
Trong giai ựoạn cuối cùng của quá trình chuyển hóa, axit acetic ựược hình thành ở bước 1 và 2 sẽ chuyển hóa thành CH4 và CO2 nhờ hoạt ựộng của vi khuẩn metan. đây là giai ựoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình.
Trong quá trình phân hủy sẽ xuất hiện các bọt khắ H2S nhỏ và tắch lũy một phần nhỏ trong thành phần khắ biogas. Khắ H2S ựược sinh ra trong giai ựoạn thủy phân khi các vi sinh vật bẽ gãy amino axit methionine thiết yếụ Trong giai ựoạn metan hóa, H2S cũng tiếp tục ựược sinh ra do các nhóm vi sinh vật khử sunfat khác nhau sử dụng axit béo (ựặc biệt là acetat), protein làm nguồn cơ chất cho quá trình phân hủỵ
Sự tạo thành metan có thể theo hai con ựường sau: Nhóm metyl của axit axetic phân huỷ trực tiếp thành metan, nhóm cacboxyl của axit axetic trước tiên chuyển hoá thành cacbonic sau ựó biến ựổi thành metan.
Trong suốt pha ựầu tiên của quá trình phân hủy, một lượng lớn khắ CO2 ựược sinh ra và giá trị pH sẽ giảm xuống khoảng 6,2 (pH<6,2 là một yếu tố bất lợi ựối với hoạt ựộng của VSV). Sau thời gian khoảng 10 ngày, pH bắt ựầu tăng ổn ựịnh, giá trị
CH3COOH
CH3 CH4
CO2 CH4 + H2O
H2O 4H2
ựạt khoảng 7,0 Ờ 8,0.
Các phản ứng sinh học diễn ra trong các pha lên men kỵ khắ ở trên là một chuỗi phức tạp, từ hợp chất ban ựầu là xelulo, ựể tạo thành sản phẩm cuối cùng là khắ biogas, sẽ có các sản phẩm trung gian như axit focmic, axit acetic, axit propionic và axit butricẦ phản ứng tổng quát của quá trình này như sau:
CaHbOcNdPeSf CH4 + CO2 + N2 + PH3 + H2S + tế bào mới Trong thực tế, quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian dài, do ựó hiệu suất của quá trình ắt khi ựạt trạng thái hoàn toàn, chỉ khoảng 60% cơ chất ựược chuyển hóạ Quá trình phân hủy diễn ra ở ba dãy nhiệt ựộ khác nhau, tương ứng với 3 nhóm VSV ựặc trưng. Hiệu suất sinh khắ càng tăng khi nhiệt ựộ càng tăng vì tốc ựộ phản ứng ở nhiệt ựộ cao diễn ra nhanh hơn so với nhiệt ựộ thấp. Khi nhiệt ựộ gia tăng 100C, tốc ựộ sinh khắ sẽ tăng gấp ựôị
để hầm biogas hoạt ựộng tốt là duy trì ựiều kiện nhiệt ựộ và nguồn cung cấp nguyên liệu ựầu vào ổn ựịnh. Khi ựó, mật ựộ vi khuẩn sẽ ựảm bảo ựủ ựể ựáp ứng những ựiều kiện trên.
1.2.2.4. Nguyên liệu ựể sản xuất khắ sinh học
Nói chung các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học ựều có thể làm nguyên liệu nạp cho các thiết bị khắ sinh học. Các nguyên liệu này có thể chia thành hai loại như sau: nguyên liệu có nguồn gốc ựộng vật và nguyên liệu có nguồn gốc thực vật.
- Nguyên liệu có nguồn gốc ựộng vật: Bao gồm chất thải (phân và nước tiểu) của gia súc, gia cầm và chất thải của người,Ầ
Các loại chất thải này ựã ựược xử lý sơ bộ trong bộ máy tiêu hoá của ựộng vật nên dễ phân giải và nhanh chóng tạo khắ sinh học. Tuy vậy, thời gian phân giải của phân dài (khoảng 2 Ờ 3 tháng), tổng sản lượng khắ thu ựược từ 1 kg phân không lớn. Chất thải của gia súc như trâu, bò, lợn phân giải nhanh hơn chất thải của gia cầm và chất thải của người, nhưng sản lượng khắ của chất thải gia cầm và chất thải người lại cao hơn.
- Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: Các nguyên liệu thực vật gồm lá cây và cây thân thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, ựậu,Ầ), rác sinh
hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ ựi), các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh). Gỗ và thân cây già rất khó phân giải nên không dùng làm nguyên liệu ựược.
Nguyên liệu thực vật thường có lớp vỏ cứng rất khó bị phân giảị để quá trình phân giải kỵ khắ diễn ra ựược thuận lợi, người ta thường phải xử lý sơ bộ (cắt nhỏ, ựập dập, ủ hiếu khắ) trước khi nạp chúng vào hầm biogas ựể phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tắch tiếp xúc cho vi khuẩn tấn công. Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với chất thải ựộng vật. Do vậy nguyên liệu thực vật thường ựược sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéo dài từ 3 - 6 tháng.
- Sản lượng khắ thực tế của các loại nguyên liệu:
Trong thực tế, sản lượng khắ thu ựược khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị KSH thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng ựược phân giải trong một thời gian nhất ựịnh và chưa phân giải hoàn toàn.
Sản lượng khắ hàng ngày ựược tắnh theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày ựối với lợn là 40 - 60 lắt/kg/ngày, ựối với trâu bò là 15 Ờ 32 lắt/kg/ngày, ựối với bèo tây tươi là 0,3 Ờ 0,5 lắt/kg/ngày (Cục Chăn nuôi, 2011)
Bảng 1.13. đặc tắnh và sản lượng khắ sinh học của một số nguyên liệu
Loại nguyên liệu Lượng chất thải hàng ngày (kg/ựầu ựộng vật) Hạm lượng chất khô (%) Tỷ lệ C/N Hiệu suất sinh khắ (lắt/kg/ngày) Phân thải ựộng vật Bò 15 Ờ 20 18 Ờ 20 24 Ờ 25 15 Ờ 32 Trâu 18 Ờ 25 16 Ờ 18 24 Ờ 25 15 Ờ 32 Lợn 1,2 Ờ 4,0 24 Ờ 33 12 Ờ 13 40 Ờ 60 Gia cầm 0,02 Ờ 0,05 25 Ờ 50 5 Ờ 15 50 Ờ 60 Người 0,18 Ờ 0,34 20 Ờ 34 2,9 Ờ 10 60 Ờ 70 Thực vật
Bèo tây tươi 4 Ờ 6 12 Ờ 25 0,3 Ờ 0,5
Rơm, rạ khô 80 Ờ 85 48 Ờ 117 1,5 Ờ 2,0
1.2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng ựến việc áp dụng công nghệ KSH tại nông hộ
- Vấn ựề về vốn: Nguồn vốn quyết ựịnh rất lớn ựến việc áp dụng công nghệ hầm khắ biogas. Trong quá trình xây hầm biogas quy mô vốn lớn hay nhỏ quyết ựịnh ựến khả năng xây hầm.
- Vấn ựề về kiến thức khoa học: thay ựổi cách chăn nuôi truyền thống ựến áp dụng chăn nuôi tập trung theo kiểu quy mô trang trại phải tuân theo các quy trình mang tắnh khoa học trong ựó phải quan tâm xử lý chất thảị
- Quy mô chăn nuôi: ựể có hầm khắ hoạt ựộng ựược hàng ngày cần nạp một lượng phân nhất ựịnh, những hộ chăn nuôi nhỏ thường là những hộ khó khăn nên ắt quan tâm ựến vệ sinh môi trường.
- Nhận thức của hộ chăn nuôi về khả năng xây hầm biogas: để xây hầm biogas ựòi hỏi các hộ nông dân phải hiểu biết về hiệu quả mà hầm biogas mang lại, mạnh dạn xây hầm, thay ựổi tập quán chăn nuôi nhỏ lẻ và ựun nấu bằng rơm rạ.
- Vấn ựề về cán bộ khuyến nông: triển khai việc áp dụng công nghệ hầm khắ