Loại khí T lệ (%) Loại khí T lệ (%)
Mê tan (CH4) 50 - 70 Hidro (H2) 0-3
Cacbonnic ( CO2) 30 - 45 Oxy (O2) 0-3
Nitơ (N2) 0 - 3 Hidrosunfua (H2S) 0-3
Nguồn: [1] Theo [21], thì khí Methane là thành phần chủ yếu của Biogas. Nó là loại khí khơng màu, khơng mùi, sôi ở -1620C và cháy có ngọn lửa màu xanh. M t
khác, khí CH4 cũng là thành phần chính của khí đốt tự nhiên (chiếm 77 – 90%).
Ở nhiệt độ và áp suất bình thƣờng khơng có tác động của khí CO2 thì
khối lƣợng riêng của CH4 khoảng 0,75 kg/m3. Nhƣng theo [1] và [21], thì khí
sinh học có 60% CH4 và 40% CO2 thì khối lƣợng riêng khoảng 1,2 (kg/m3).
Methane có nhiệt trị (nhiệt lƣợng tỏa ra khi cháy hoàn toàn một đơn vị khối lƣợng nhiên liệu) 35.906 KJ/m3= 8576 kcal/m3.
b, Hệ thống biogas thơng dụng
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống Biogas thơng dụng
Chất thải chăn ni Thu khí sinh học
Bể nạp
Sử dụng
Bể lắng
Hầm Biogas
Hệ thống Biogas thông dụng hiện nay chủ yếu đƣợc xây bằng gạch, bể composit, túi khí,… và đều có quy trình sản xuất Khí sinh học nhƣ nhau. Chất thải chăn ni đƣợc thu vào bể nạp sau đó mới đƣa vào hầm Biogas. Tại đây, xảy
ra q trình yếm khí, sinh khí sinh học (CH4 là chủ yếu chiếm 50-70% . Sau đó,
các chất khí đƣợc thu lại để sử dụng, còn bã và nƣớc thải đƣợc đƣa sang bể lắng và thải ra ngồi mơi trƣờng.
Theo [4], hiện nay, hầm Biogas có thể đƣợc chia ra làm 5 loại nhƣ sau: - Hầm nắp trôi nổi có xuất xứ từ Ấn Độ (hình 1.5).
+ Ƣu điểm: Áp suất ổn định, dễ sử dụng, phù hợp với hầm lớn.
+ Nhƣợc điểm: Chi phí cao, bảo dƣỡng thƣờng xuyên, nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ, nắp làm bằng kim loại nên khơng thích hợp vận chuyển đi xa.
Hình 1.5: Hầm biogas nắp trôi nổi
- Hầm nắp cố định có xuất xứ từ Trung Quốc (chủ yếu là Hầm vịm nắp cố
định) (hình 1.6 .
+ Ƣu điểm: Kết cấu dƣới đất nên có nhiệt độ ổn định, xây dựng tại chỗ với vật liệu của địa phƣơng, độ bền cao, ít phải bảo dƣỡng.
+ Nhƣợc điểm: Tốn diện tích xây dựng, áp suất khí khơng ổn định, chi phí xây dựng cao, bảo dƣỡng khó khăn và khơng lấy đƣợc bã thải ra khỏi hầm.
Hình 1.6: Hầm biogas nắp cố định
- Hầm dạng túi ủ có xuất xứ từ Colombia. Hiện nay, cải tiến mới nhất của
hầm dạng này là hầm túi nhựa HDPE (hình 1.7 .
+ Ƣu điểm: Chi phí đầu tƣ thấp, đào vị trí nơng, thích hợp cho vùng có vị trí nƣớc ngầm cao.
+ Nhƣợc điểm: Dễ hỏng, cần bảo dƣỡng thƣờng xuyên, áp suất khí thấp, tuổi thọ hầm thấp, nhạy cảm với thời tiết và địi hỏi diện tích xây dựng lớn.
Hình 1.7: Hầm biogas dạng túi ủ
- Hầm dạng kết hợp (nắp cố định và túi khí _ mơ hình VACVINA cải tiến) có
xuất xứ tại Việt Nam (hình 1.8 .
+ Ƣu điểm: nằm chìm dƣới đất, ít chịu tác động của mơi trƣờng, tốn ít đất, giá thành rẻ, dễ xây dựng.
+ Nhƣợc điểm: áp suất khí thấp, phải dùng túi chứa khí và máy hút khí khi sử dụng, năng suất sinh khí thấp và hiệu suất đầu tƣ thấp.
Hình 1.8: Hầm biogas VACVINA cải tiến
Ngồi ra, cịn có hầm dạng đặc biệt: Hầm chảy dài và hầm ủ khơ.
Nhìn chung, hầm biogas ra đời từ rất lâu và khá phổ biến trên toàn Thế giới, các dạng hầm khác nhau có ƣu và nhƣợc điểm khác nhau. Nhƣng hầu hết các hầm đều có cơng năng thấp, khơng lấy đƣợc hết bã thải ra ngồi và khó vận hành trong quá trình sử dụng.
c, Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Biogas
Quan trọng nhất và cũng là điểm mấu chốt của hệ thống biogas hoạt động
tốt hay kém là do q trình yếm khí, sinh khí CH4 trong hầm biogas.
- Qúa trình yếm khí
Các chất thải dƣới tác dụng của Vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành các chất hịa tan và chất khí. Phần lớn các chất sẽ bị chuyển hóa thành khí CH4 và khí CO2.
Các phản ứng sinh hóa của q trình lên men yếm khí rất phức tạp và có rất nhiều phản ứng sinh hóa diễn ra (hình 1.9 .
Hình 1.9: Sơ đồ q trình vi sinh hóa lên men Methane
Nguồn: [17] Theo [17], q trình tạo thành khí sinh học diễn ra 4 giai đoạn nhƣ sau:
Giai đoạn thủy phân: Đây là giai đoạn đầu tiên, khi phân đƣợc nạp vào bể
sẽ đƣợc chuyển hóa thơng qua q trình thủy phân. Các chất hữu cơ phức tạp nhƣ protein, lipid, hydratcacbon sẽ bị thủy phân thành các chất hữu cơ đơn giản nhƣ acid propionic, acid lactic, axetic,… và các chất khí CO2, H2, NH3.
Giai đoạn lên men là giai đoạn lên men Khí sinh học. Các chất đƣợc tạo
ra từ giai đoạn trƣớc sẽ tiếp tục chuyển hóa thành các phân tử nhỏ hơn nhƣ H2,
acid axetic, ethanol, butyric,…. Hơn nữa, quá trình này tạo ra các sản phẩm lên
men gây mùi khó chịu nhƣ H2S,…
Giai đoạn oxy hóa kị khí: đây là giai đoạn tiếp tục phân giải các chất để
tạo thành phân tử đơn nhỏ hơn để có khả năng tạo thành khí Methane. Sản phẩm của q trình này là acid axetic, H2, CO2. Ví dụ:
(Ethanol) CH3CH2OH + H2O → CH3COO - + H+ + 2H2.
Giai đoạn Methane hóa: Qúa trình này diễn ra đồng thời 3 con đƣờng.
+ Vi khuẩn Hydrogenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là H2 và CO2.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.
AXETAT
CH4 và CO2
Các acid béo dễ bay hơi(propionic, butynic, axetic, lactic,…
Chất hữu cơ hòa tan ( Đƣờng, peptid, acid amin,…
Chất hữu cơ phức tạp ( Protein, Lypid, hydratcarbon,…
H2 , CO2
Giai đoạn thủy phân (Phân giải CHC phức tạp thành CHC đơn giản
Giai đoạn Lên Men
Giai đoạn Oxy hóa yếm khí
+ Vi khuẩn Acetotrophic Methanogen chuyển hóa Axetat thành CH4 và
CO2 và khoảng 70% khí Methane sinh ra bằng con đƣờng này.
CH3COOH → CO2 + CH4. 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2.
+ Vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl. CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O.
4(CH3)3-N (trymethyllamin) + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3. Ngồi ra, cịn một số yếu tố khác ảnh hƣởng đến năng suất sinh khí của hầm Biogas nhƣ:
Nhiệt độ: có 2 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh
khí Methane là từ 20 – 450
C (Nhiệt độ tối ƣu là 350C và trên 450
C (nhiệt độ tối
ƣu là 550C). Do vi khuẩn sinh khí Methane rất nhạy cảm với nhiệt độ nên chỉ cần
biên độ nhiệt thay đổi xuống dƣới 100C sẽ là cho vi khuẩn kém hoạt động và năng suất gas thấp ho c khơng sinh khí gas.
pH: do vi khuẩn sinh khí Methane có độ pH từ 6,5 – 7 là thích hợp nhất để
vi khuẩn sinh hoạt động hiệu quả. Khi pH lớn hơn 8 ho c nhỏ hơn 6 thi hoạt động của nhóm Vi khuẩn này sẽ giảm nhanh chóng.
Độ ẩm: từ 91,5 – 96% là độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển mạnh. Hàm lượng chất khô: Để đảm bảo cho hầm Biogas hoạt động ổn định và
liên tục cần phải cung cấp nguyên liệu hàng ngày đủ cho vi khuẩn hoạt động. Thành phần chủ yếu của nguyên liệu là: Carbon (ở dạng Carbonhydrate và Nitơ (ở dạnh nitrate, ammoniac, protein . Ngồi ra, cịn phải đảm bảo tỷ lệ C/N = 25/1 đến 30/1 đây là tỷ lệ mà sự phân hủy xảy ra tốt nhất.
Tỉ lệ phân/nước: Với tỷ lệ 1/3, 1/4 ho c 1/7 là trạng thái tốt nhất để phân
hủy và sinh khí biogas. Nếu khơng đúng tỷ lệ này, q lỗng vi khuẩn khơng thể phân hủy, quá đ c thì gây cản trở việc thốt khí.
Thời gian lưu phân trong hầm từ 30-50 ngày là tốt nhất để vi khuẩn phân
hủy hết lƣợng chất hữu cơ. Khi đó, khí Biogas sinh ra tận dụng tối đa nhất và bã thải ra đã bị tiêu diệt hết mầm bệnh, ký sinh trùng và bệnh lây lan khác.
1.3.2. Ảnh hƣởng của hoạt động hệ thống Biogas đến phát thải khí CH4
a, Mặt tích cực của việc sử dụng biogas trong chăn nuôi
+ Cung cấp năng lƣợng sạch.
Khí sinh học có thành phần chủ yếu là khí CH4 nên cháy có khả năng cháy và có nhiệt trị từ 3.430 – 5.146 (Kcal/m3). Theo [1], 1 m3 khí sinh học tƣơng đƣơng với 4,83 kg củi, 1,62 kg than củi, 0,76 lít dầu hỏa, 0,48 kg khí hóa lỏng và 5,18 KWh điện. Vì vậy, đây là năng lƣợng sạch có thể sử dụng để thắp sáng, đun nấu, chạy máy phát điện ho c dùng sấy nông sản, ấp trứng, sƣởi ấm cho vật nuôi,…
+ Giảm ô nhiễm mơi trƣờng và giảm phát thải KNK.
Do khí sinh học là khí khơng màu, khơng mùi, khi cháy lƣợng khí CH4
đƣợc phân hủy trở thành khí CO2 và H2O. Nếu sử dụng khí sinh học đúng
cách thì sẽ ít gây ơ nhiễm cho mơi trƣờng và giảm phát thải khí CH4 vào bầu
Khí quyển. M t khác, việc sử dụng khí sinh học còn làm giảm tiêu thụ năng lƣợng hóa thạch, xử lý đƣợc phân chuồng, giảm bệnh giun sán và bệnh truyền nhiễm khác.
+ Lợi ích cho Nơng nghiệp
Phân bón đƣợc ủ bằng hầm biogas có hàm lƣợng ammoniac cao nên khi bón loại phân này, cây phát triển nhanh chóng, khỏe mạnh và ít bị sâu bệnh. Loại phân này cịn giúp cải tạo đất, cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi.
Trong nuôi trồng thủy sản, bã thải của hầm biogas giúp kích thích sự phát triển của sinh vật phù du. Đây chính là nguồn thức ăn của cá. Ngồi ra, bã của nó cịn là thức ăn tốt cho ni giun.
+ Lợi ích khác
Phát triển hầm Biogas trong xử lý chất thải chăn ni giúp hiện đại hóa nơng thơn theo hƣớng tích cực hơn, giải quyết đƣợc nhiều công ăn việc làm cho ngƣời dân, hạn chế đƣợc việc sử dụng năng lƣợng hóa thạch, thuốc trừ sâu, phân bón hóa học. Hơn thế nữa, nó cịn giúp cải tạo đất, chống xói mịn và suy thối đất.
b, Mặt tiêu cực của sử dụng hầm biogas đến phát thải khí CH4
Để có đƣợc hệ thống Biogas, ngƣời nơng dân phải bỏ ra một khoản chi phí đầu tƣ cao, địi hỏi phải có kĩ thuật vận hành và bảo dƣỡng tốt. Các dạng bể biogas hiện nay đều có năng suất cho khí thấp nên chƣa đạt đƣợc hiệu quả cao trong sử dụng. M t khác, sử dụng khí sinh học cho nhu cầu sinh hoạt của con ngƣời đều phải sử dụng các thiết bị riêng cho khí sinh học và nếu chạy động cơ đốt trong thì phải sử dụng lọc H2S và CO2 để máy có thể bền hơn.
Hoạt động sản xuất khí sinh học từ hệ thống biogas giúp làm giảm phát
thải khí nhà kính CH4, N2O. Tuy nhiên, các khí sinh ra trong q trình sản xuất
và tiêu thụ biogas đều có tiềm năng hấp thụ nhiệt lớn, cụ thể khí CH4 và khí N2O
cao hơn CO2 lần lƣợt là 21 và 270 lần. Trên Thế giới, có 30 triệu tấn CH4 đƣợc
tạo ra mỗi năm từ các hệ thống quản lý phân khác nhau và một nửa trong số đó đƣợc tạo ra từ sản xuất khí sinh học. Các nƣớc ở Đơng Âu, Châu Á mỗi năm phát thải 6,2 triệu tấn khí CH4.
Việc sử dụng khí sinh học sẽ là rất tốt nếu quá trình hoạt động và sử dụng biogas khơng g p bất kì vấn đề trục trắc nào. Nhƣng nếu xảy ra sự cố rò rỉ khí Methane từ bể phân hủy, bể lƣu trữ khí sinh học cũng nhƣ rò rỉ từ các đƣờng ống vận chuyển ho c việc xả thải khí sinh học vào bầu khí quyển sẽ gây ơ
nhiễm mơi trƣờng khơng khí. Khí sinh học xả thải khơng chỉ phát thải CH4 mà
cịn phát thải ra ngồi mơi trƣờng thêm một số chất khí khác có trong khí sinh
học nhƣ H2S, N2O, CO, NH3,… gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe con ngƣời
và sinh vật. Bên cạnh đó, chúng cịn làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu.
+ H2S là khí độc gây mùi hôi thối và ảnh hƣớng đến sức khỏe của con ngƣời nếu hoạt động của bể Biogas khơng đúng cách làm phát thải khí sinh học ra ngồi rất dễ có thể bị đau đầu, căng cơ, khó thở,… là do khí này gây ra.
+ NH3: Ƣớc tính hàng năm phát thải NH3 từ phân lợn khoảng 5,1 kg/năm.
Trong q trình lên men kị khí kết hợp với pH tăng sẽ làm tăng khả năng phát thải NH3 vào bầu Khí quyển và sau đó NH3 rơi xuống đất gây axit hóa đất.
M t khác, việc cân bằng giữa nguyên liệu đầu vào cho hầm biogas và thể tích sinh khí của hầm là rất quan trọng. Nếu nguyên liệu đầu vào ít và thể tích
sinh khí nằm trong giới hạn cho phép thì việc sử dụng hầm biogas là rất hiệu quả. Nhƣng nếu quá nhiều nguyên liệu đầu vào làm cho sản lƣợng khí sinh ra lớn hơn thể tích chứa của hầm biogas, thêm vào đó là nhu cầu tiêu thụ khí sinh học khơng thể tiêu thụ hết đƣợc lƣợng khí sinh ra rất dễ dẫn đến cháy, nổ hầm biogas.
1.4. Giới thiệu về huyện Lƣơng Sơn, tỉnh Hịa Bình
1.4.1. Điều kiện tự nhiên
Huyện Lƣơng Sơn [30] nằm ở phía đơng của tỉnh Hịa Bình, đây là nơi chuyển tiếp giữa Đồng bằng Châu thổ sông Hồng với vùng miền núi Hịa Bình và khu vực Tây Bắc. Tọa độ địa lý từ 105025’14’’ - 105041’25’’ kinh độ Đông, 20036’30’’- 20057’22’’ vĩ độ Bắc.
- Phía tây giáp huyện Kỳ Sơn, tỉnh Hịa Bình.
- Phía Nam giáp huyện Kim Bơi và Lạc Thủy, tỉnh Hịa Bình.
- Phía Đơng giáp huyện Mỹ Đức, Chƣơng Mỹ, Hà Nội.
- Phía Bắc giáp huyện Quốc Oai, Hà Nội.
Tổng diện tích tự nhiên [29] là 375 km2 với mật độ dân số là 214
(ngƣời/km2), địa hình chủ yếu là núi và đồng bằng, có độ cao trung bình 251 m
so với mực nƣớc biển.
Đ c điểm khí hậu mang tính chất của khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng, ẩm, mƣa nhiều, bức xạ nhiệt cao. Mùa đông bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau,
mùa hè bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 10. Nhiệt độ trung bình năm 230C, lƣợng
mƣa trung bình năm là 1.769 mm với 153 ngày có mƣa, tập trung chủ yếu vào mùa hè. Với đ c điểm khí hậu nhƣ vậy, rất phù hợp để phát triển sản xuất Nông – Lâm nghiệp, do có các tiểu vùng khí hậu khác nhau nên có thể phát triển các giống cây trồng và vật nuôi phong phú theo quy mô lớn nhƣ trang trại,..
Hệ thống sông, suối ngắn và dốc. Vì vậy, mùa khơ vùng có rất ít nƣớc và thƣờng xảy ra các hiện tƣợng rửa trơi, xói mịn đất. Huyện có 3 con sơng chảy qua (sơng Bùi, Cị, Bơi , 18 con suối, 20 hồ nƣớc. Đây là nguồn cung cấp nƣớc sinh hoạt, sản xuất cho vùng. Tính đến năm 2002, diện tích rừng của Huyện là 65.228.510 m2, trong đó diện tích rừng tự nhiên 30.012.706 m2, rừng trồng là 35.128.404 m2.
Ngồi ra, Huyện cịn có các danh lam, thắng cảnh, di tích khải cổ học có thể phát triển du lịch nhƣ hang Trầm, hang Rồng, hang Tằm, hang Trâu, núi Vua Bà,…
1.4.2. Điều kiện kinh tế xã hội
Huyện Lƣơng Sơn gồm 19 xã và 1 thị trấn, trong đó vùng trung tâm có 8 xã và 1 thị trấn, vùng phía nam có 4 xã và vùng mới 7 xã mới chuyển về Huyện Lƣơng sơn. Dân số 98.856 ngƣời [30], trong đó: dân tộc Mƣờng chiếm 70%. Số nhân khẩu trung bình 4 ngƣời/hộ. Vì vậy, nguồn lao động tƣơng đối dồi dào nhƣng chủ yếu vẫn là lao động nông nghiệp. Tổng diện tích đất trồng trọt của Huyện là 6.517 ha, trong đó diện tích đất trồng lúa 5.096 ha (chiếm 78%).
Cơ cấu ngành nơng nghiệp có sự chuyển dịch tích cực, giảm tỷ trọng ngành Trồng trọt và tăng tỷ trọng nghành Chăn nuôi, Thủy sản và Lâm nghiệp. Tuy nhiên đến nay, trồng trọt vẫn giữ vai trò quan trọng chiếm 62,56% tổng giá trị sản lƣợng ngành nông – lâm nghiệp. Trong chăn ni, đàn trâu và bị ln giữ