Yếu tố ảnh hƣởng Giá trị tối ƣu
Nhiệt độ (oC) 35 - 40
pH 6,8 - 7,5
Thời gian lƣu (ngày) : - Chất thải động vật - Thực vật 30 - 60 100 Tỷ lệ C/N 1/30 Hàm lƣợng chất khô (%) 5 - 10 Nguồn:[ 7] * Nhiệt độ:
Quá trình phân giải kỵ khí có thể xảy ra trong giới hạn nhiệt đợ từ 3 - 70oC.
Nói chung nhiệt đợ càng cao thì quá trình phân giải xảy ra càng nhanh. Đối với các
thiết bị KSH đơn giản, nhiệt độ tối ƣu là 35 - 40oC. Chúng khơng có thiết bị giữ
nhiệt đợ ổn định nên nhiệt độ dịch phân giải biến đổi theo nhiệt đợ khí quyển và chỉ
hoạt đợng có hiệu quả khi nhiệt đợ trung bình năm vào khoảng 20oC trở lên hoặc
nhiệt đợ trung bình ngày ít nhất đạt 18oC. Khi nhiệt đợ trung bình năm xuống dƣới
15oC thì thiết bị khơng cịn hiệu quả kinh tế nữa.
Quá trình sinh mêtan rất nhạy cảm với sự biến đổi nhiệt độ. Sự tăng giảm
nhiệt độ vƣợt quá giới hạn 1oC/giờ sẽ làm giảm tốc đợ sinh khí rõ rệt.
Đối với các thiết bị xây ngầm dƣới đất, sự thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm không ảnh hƣởng lớn vì nhiệt đợ của dịch phân giải biến đổi theo nhiệt độ của
đất. Ở độ sâu từ 1m trở xuống thực tế nhiệt độ của đất thay đổi không đáng kể. Do vậy xây thiết bị KSH ngầm dƣới đất giữ nhiệt độ ổn định tốt hơn.
* pH:
Q trình phân giải kỵ khí có thể xảy ra trong giới hạn pH từ 6,2 - 8,5. Vƣợt ra ngoài giới hạn này, q trình phân giải kỵ khí sẽ ngừng lại. Giá trị tối ƣu của pH là 6,8 - 7,5.
* Thời gian lưu:
Thời gian lƣu là thời gian nguyên liệu đƣợc lƣu giữ trong thiết bị. Trong thời gian này nguyên liệu phân giải và KSH sinh ra có thể thu đƣợc.
Đối với thiết bị nạp thƣờng xuyên hàng ngày, thời gian lƣu đƣợc tính theo cơng thức sau:
T = Vd/L Trong đó: T là thời gian lƣu
Vd là thể tích phân giải L là lƣợng nạp hàng ngày
Với các thiết bị KSH thông thƣờng không đƣợc cung cấp nhiệt để giữ nhiệt độ ổn định ở giá trị tối ƣu, muốn nguyên liệu phân giải hoàn toàn phải tới hàng trăm ngày. Do vậy thiết bị phải có thể tích chứa ngun liệu rất lớn. Tuy nhiên tốc độ sinh khí chỉ cao ở giai đoạn đầu, càng về sau càng giảm dần. Do vậy ngƣời ta chọn thời gian lƣu tƣơng ứng với giai đoạn tốc đợ sinh khí cao để giảm thể tích bể phân giải và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Nhƣ trên đã thấy, tốc đợ sinh khí phụ tḥc nhiệt đợ. Nhiệt đợ càng cao thì tốc đợ sinh khí càng lớn. Vì vậy ngƣời ta chọn thời gian lƣu theo nhiệt độ của địa phƣơng về mùa đơng để đảm bảo trong điều kiện ít thuận lợi nhất thiết bị vẫn hoạt động hiệu quả. Ở Việt Nam, ta chọn thời gian lƣu ít nhất phải bằng giá trị trong bảng sau :
Bảng 1.2. Thời gian lƣu đối với phân động vật
Vùng Nhiệt độ trung bình về mùa đơng (oC) Thời gian lƣu (ngày)
I 10 - 15 55
II 15 - 20 40
III >20 30
Nguồn: [7]
Thời gian lƣu đối với nguyên liệu thực vật thƣờng đƣợc chọn là 100 ngày.
* Tỷ lệ C/N:
Vi khuẩn cần cả carbon (C) và nitơ (N) để sinh trƣởng. Rất nhiều thí nghiệm chứng tỏ rằng tỷ lệ C/N của nguyên liệu vào khoảng 8 - 30 là tối ƣu đối với hoạt động của vi khuẩn. Tỷ lệ này quá cao hoặc quá thấp đều làm quá trình phân giải xảy ra chậm, thậm chí ngừng trệ.
Bảng 1.3. Tỷ lệ C/N của các nguyên loại nguyên liệu
Nguyên liệu C/N Nguyên liệu C/N
Nƣớc tiểu 0,8 Chất thải của ngƣời 8
Chất thải của bò 20 Rơm rạ khô 70
Chất thải của trâu 20 Cây lá ngô khô 60
Chất thải của lợn 13 Bèo tây tƣơi 25
Chất thải của gà 7 Rác thải rau xanh 35
Nguồn: [33, 40]
Chất thải đợng vật có tỷ lệ C/N thích hợp. Ngun liệu thực vật có tỷ lệ C/N cao, nguyên liệu càng già thì tỷ lệ này càng cao. Do đó nên dùng thực vật phối hợp với chất thải động vật.
* Hàm lượng chất khô:
Hàm lƣợng KSH thu đƣợc từ các loại nguyên liệu khác nhau phụ thuộc vào hàm lƣợng chất khô của chúng. Hàm lƣợng chất khô thƣờng đƣợc biểu thị bằng % của tổng khối lƣợng nguyên liệu. Bảng sau đây biểu thị hàm lƣợng chất khô của các loại nguyên liệu:
Bảng 1.4. Hàm lƣợng chất khô của các loại nguyên liệu (%)
Nguyên liệu Chất khô Nguyên liệu Chất khô
Nƣớc tiểu 5 Chất thải của ngƣời 20
Chất thải của bị 16 Rơm rạ khơ 789
Chất thải của trâu 15 Cây lá ngô khô 80
Chất thải của lợn 17 Bèo tây tƣơi 7
Chất thải của gà 25 Rác thải rau xanh 12
Nguồn: [33, 40]
Trong các thiết bị KSH hoạt động theo kiểu nạp liên tục hàng ngày, quá trình phân hủy sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi mơi trƣờng có hàm lƣợng chất khơ tối ƣu vào khoảng 5 - 10%.
Bảng trên cho thấy nguyên liệu ban đầu có hàm lƣợng chất khơ cao hơn giá trị tối ƣu nên khi nạp vào thiết bị KSH cần phải pha thêm nƣớc. Tùy theo hàm lƣợng chất khô của nguyên liệu, tỷ lệ nƣớc pha lỗng thích hợp đối với chất thải đợng vật là 1 - 2 lít/kg, đối với phân nguyên là 3 - 4 lít/kg.
* Khuấy đảo:
Khuấy đảo dịch phân giải làm cho nguyên liệu mới nạp tiếp xúc đƣợc với vi khuẩn khiến các phản ứng xảy ra mạnh hơn. Khuấy đảo cũng có tác dụng hạn chế hình thành váng. Vì vậy khuấy đảo có tác dụng làm tăng năng suất sinh khí. Khuấy đảo mỗi ngày vài lần, mỗi lần khoảng 10 - 15 phút
* Các độc tố:
Các chất kháng sinh, chất sát trùng vệ sinh chuồng trại, thuốc trừ sâu, nƣớc xà phịng… có thể ức chế hoạt động của vi khuẩn, ảnh hƣởng xấu đến quá trình sinh mêtan.
1.2.3. Hiện trạng phát triển cơng nghệ khí sinh học ở Việt Nam
1.2.3.1. Q trình phát triển cơng nghệ khí sinh học ở Việt Nam [7]
Ở Việt Nam, cùng với sự phát triển của ngành chăn ni nói riêng và ngành kinh tế nói chung, cơng nghệ KSH đã phát triển để đáp ứng nhu cầu về môi trƣờng và năng lƣợng. KSH đƣợc bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960.
Năm 1964, hầm ủ KSH đầu tiên của Việt Nam đƣợc xây dựng tại Bắc Thái. Một số hầm ủ khác cũng đƣợc tiếp tục xây dựng sau đó nhƣng chỉ vận hành đƣợc mợt thời gian phải ngừng hoạt đợng vì mợt số vấn đề cơng nghệ và kinh nghiệm quản lý.
Ở miền Nam Việt Nam, năm 1960 Nha Khảo cứu và Nơng lâm súc của chính quyền Sài Gịn có thí nghiệm biện pháp sản xuất khí mêtan từ phân động vật, nhƣng do việc nhập khẩu ồ ạt các loại khí đốt nhƣ Butan, Propan và phân hóa học nên việc nghiên cứu đã không tiếp tục đƣợc thực hiện.
Mặc dù bắt đầu đƣợc nghiên cứu ứng dụng từ những năm 1960 ở cả 2 miền (Bắc, Nam) nhƣng KSH vẫn chƣa đƣợc phát triển. Sau khi đất nƣớc thống nhất năm 1975, do nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội trong thời kỳ khủng hoảng năng lƣợng quốc tế, KSH lại đƣợc chú ý dƣới góc đợ năng lƣợng.
Năm 1976, Viện Năng lƣợng khởi động dự án “Nghiên cứu sản xuất KSH” tập trung vào thiết kế, phát triển và thử nghiệm các hầm ủ KSH. Thiết bị sản xuất KSH đƣợc lựa chọn để thử nghiệm ban đầu thuộc loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và cổ bể có gioăng nƣớc để giữ kín khí đƣợc tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, những cơng trình này đã phải bỏ dở vì những lý do kỹ thuật và quản lý.
Tới cuối năm 1979, cơng trình KSH ở nơng trƣờng Sao Đỏ (Mợc Châu, Sơn
La) có thể tích phân hủy là 27m3 đã hoàn thành và hoạt động tốt. Kết quả này là
nguồn cổ vũ khích lệ lớn đối với cán bợ nghiên cứu, những nhà quản lý và ngƣời dân, đặt cơ sở cho việc triển khai tiếp tục công nghệ KSH sau này.
Từ năm 1981 đến 1990, công nghệ KSH đã trở thành một trong những lĩnh vực ƣu tiên trong chƣơng trình nghiên cứu nhà nƣớc về năng lƣợng mới. Sau này có mợt số kiểu thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu bằng compozit của Trung tâm phát triển nơng thơn và thiết bị KSH hình hợp chữ nhật của VACVINA cũng đƣợc đƣa vào ứng dụng ở mợt số địa phƣơng. Năm 1996, Chƣơng trình quốc gia về nƣớc sạch và vệ sinh môi trƣờng nông thôn phát triển KSH thông qua Trung tâm tƣ vấn hỗ trợ phát triển nông thôn. Tổ chức này phát triển loại thiết bị nắp cố định có vịm cầu làm bằng compozit hoặc xi măng lƣới thép đặt trên phần hình trụ xây bằng gạch ở dƣới. Loại thiết bị này phát triển chủ yếu ở Hà Tây và Nam Định. Đến năm 1990, nhiều tỉnh trong toàn quốc đã có những cơng trình KSH đƣợc xây dựng, chủ yếu là ở các tỉnh phía Nam vì có những điều kiện thuận lợi nhƣ nguồn phân từ chăn nuôi, khí hậu… Tính chung trong toàn quốc thời kỳ này có khoảng trên 2000 hầm ủ đƣợc
xây dựng với thể tích 3 - 10m3.
Tại đồng bằng sơng Cửu Long, nhóm nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật khí đốt sinh học của trƣờng đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh triển khai chƣơng trình từ năm 1992 và chọn loại túi nylon để phát triển.
Từ năm 1993 tới nay, công nghệ KSH phát triển khá mạnh mẽ trong khuôn khổ các Dự án vệ sinh môi trƣờng, nông nghiệp và phát triển nông thôn với nhiều kiểu thiết bị KSH mới. Cùng với sự phát triển của ngành chăn nuôi, KSH đƣợc phát triển mạnh mẽ hơn và thu hút sự tham gia của nhiều tổ chức thuộc lĩnh vực nông nghiệp. Việc ứng dụng KSH đƣợc mở rợng nhanh chóng nhờ áp dụng loại túi nylon rẻ tiền và dễ lắp đặt là một hợp phần của Chƣơng trình giúp đỡ kỹ thuật của Cơ quan Hợp tác phát triển quốc tế Thụy Điển (SIDA) và Tổ chức Nông lƣơng Liên hợp quốc (FAO). Chƣơng trình Mục tiêu quốc gia về cung cấp nƣớc sạch và vệ sinh
môi trƣờng nông thôn cũng ứng dụng KSH để góp phần giải quyết vệ sinh môi trƣờng nông thôn.
Năm 2002, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (Bộ NN&PTNN) ban hành bộ Tiêu chuẩn đầu tiên về thiết kế và xây dựng hầm ủ KSH (TCVN 492- 499/2002: Thiết bị KSH nhỏ).
Từ năm 2003 đến nay, nhiều dự án KSH trực thuộc Bộ NN&PTNN đƣợc triển khai. Mở đầu là Dự án “Chƣơng trình KSH cho ngành chăn ni” do Chính phủ Hà Lan tài trợ đƣợc triển khai từ năm 2003, tới nay đã mở rộng tại 48 tỉnh/thành phố và xây dựng đƣợc trên 120.000 cơng trình KSH kiểu nắp cố định vòm cầu KT1, KT2. Dự án “An toàn thực phẩm và cạnh tranh trong chăn nuôi” với vốn vay của Ngân hàng Thế giới thực hiện trong thời gian từ 2008 - 2013 tại 12 tỉnh/thành phố, dự án này cũng có hợp phần KSH với mục tiêu xây dựng 20.600 cơng trình. Dự án “Nâng cao chất lƣợng và an toàn cho các sản phẩm nông nghiệp và Phát triển KSH” với vốn vay của Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) đƣợc triển khai trong thời gian 6 năm (2009 - 2015) tại 16 tỉnh/thành phố. Hợp phần KSH có mục tiêu hỗ trợ xây dựng 40.000 cơng trình.
Ngoài 3 Dự án lớn nêu trên, Chƣơng trình Mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lƣợng tiết kiệm và hiệu quả do Bợ Cơng thƣơng chủ trì cũng có nợi dung hỗ trợ ứng dụng KSH. Hội Làm vƣờn Việt Nam (VACVINA) cũng phổ cập ứng dụng KSH trong việc phát triển mơ hình VAC (vƣờn, ao, chuồng). Sau mợt thời gian phát triển loại túi, VACVINA đã chuyển sang loại VACVINA cải tiến với bể phân giải dạng hình hợp xây bằng gạch và túi chứa khí bằng chất dẻo.
Cho tới nay, KSH đã đƣợc ứng dụng tại tất cả 63 tỉnh/thành phố trong cả nƣớc. Riêng 3 Dự án của Bợ NN&PTNN đã có 52 tỉnh tham gia. Các tỉnh/thành phố khác tuy không tham gia 3 Dự án này nhƣng có những dự án riêng của tỉnh hoặc ngƣời dân tự xây dựng cơng trình.
Từ những cơng trình quy mơ nhỏ có thể tích vài chục m3 hợp với quy mô
m3 phù hợp với quy mô chăn nuôi trang trại. Từ lĩnh vực chăn nuôi, KSH đã mở rộng sang lĩnh vực công nghiệp chế biến lƣơng thực, thực phẩm (rƣợu, bia, tinh bột sắn, chế biến hải sản…). Từ năm 2003 - 2004 một số nghiên cứu định hƣớng ở quy mô lớn hơn nhƣ các hệ thống xử lý nƣớc thải áp dụng cho các khu chung cƣ cao tầng đã đƣợc xem xét. KSH tạo ra từ các hệ thống này sử dụng để cấp nhiệt phục vụ
sinh hoạt. Các thiết bị cỡ lớn quy mô tập trung 50 - 100m3 cũng đã đƣợc triển khai
thận trọng ở các mơ hình chăn nuôi tập trung tại các tỉnh nhƣ Đồng Nai, Bắc Ninh, Thái Bình, Hải Phịng. Tuy nhiên, các thiết bị cỡ lớn này cịn chƣa hoàn thiện về cơng nghệ và năng suất khí thấp.
Theo báo cáo của Trung tâm Khuyến nông 61 tỉnh thành trên toàn quốc đã xây dựng đƣợc khoảng 80.000 cơng trình các loại, trong đó chiếm nhiều nhất là kiểu thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu dựa theo thiết kế của Viện Năng lƣợng (70%), sau đó đến loại thiết bị bằng túi chất dẻo theo mẫu do Hội Làm vƣờn Việt nam (VACVINA) triển khai ở phía Bắc và Đại học Nơng lâm Thành phố Hồ Chí Minh triển khai ở phía Nam.
Hiện nay, đợi ngũ những ngƣời hoạt động về KSH rất đông đảo. Bên cạnh các tổ chức Chính phủ nhƣ: Viện nghiên cứu, Trƣờng Đại học, các Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Khoa học và Công nghệ, Sở Tài nguyên và Môi trƣờng…, Hội Phụ nữ, Hội Làm vƣờn, Hội Nông dân… và các công ty, cửa hàng tham gia các hoạt động nhƣ triển khai dự án, sản xuất/hoặc cung ứng dịch vụ xây dựng và trang thiết bị. Đội ngũ thợ xây và kỹ thuật viên do các dự án đào tạo đã mở rộng tới cấp huyện ở nhiều tỉnh/thành phố trên cả nƣớc.
Tuy nhiên, có nhiều rào cản đối với các công nghệ năng lƣợng tái tạo đang nổi lên trong thời gian gần đây đặc biệt đối với trƣờng hợp ứng dụng năng lƣợng sinh khối. Việc ứng dụng công nghệ này không phụ thuộc vào phƣơng thức sử dụng cũng nhƣ loại sinh khối, do vậy, rất khó nói rằng rằng đây là những lĩnh vực cần đƣợc ƣu tiên để cấp vốn cho nghiên cứu cơ bản hoặc chế tạo. Hơn nữa, các thiết bị KSH đã đƣợc phát triển trong những năm gần đây do nhiều yếu tố sau: công nghệ
sản xuất KSH đã đƣợc cải tiến, các nguồn nguyên liệu dồi dào và có nhu cầu lớn từ ngành chăn ni, có nguồn tài trợ và cấp vốn. Tuy nhiên, sản xuất nhiệt và điện từ KSH cịn gặp những rào cản về mặt cơng nghệ nhƣ các thiết bị sử dụng (bếp, đèn, máy phát điện…), chủ yếu cịn chế tạo thủ cơng hoặc cải tạo từ các thiết bị sử dụng khác nên chất lƣợng và đợ tƣơng thích của thiết bị chƣa đƣợc tiêu chuẩn hố.
1.2.3.2. Hiện trạng sử dụng khí sinh học ở Việt Nam
KSH từ các hầm khí sẽ thay thế than, phụ phẩm nơng nghiệp và củi cho đun nấu ở các hợ gia đình nơng thơn. Hiện nay, phần lớn các hợ gia đình nơng thơn thƣờng sử dụng hỗn hợp các loại nhiên liệu để đáp ứng nhu cầu nhiệt hàng ngày (đun nấu, nấu cám lợn, chế biến thủ công…).
Hiện nay chỉ có 0,3% trong số 17.000 các trang trại lớn đã sử dụng khí sinh học. Chiến lƣợc quốc gia của Chính phủ về Cung cấp nƣớc sạch và vệ sinh môi trƣờng đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải. Tƣơng tự nhƣ