CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA HOẠT ĐỘNG CHĂN NUÔI VÀ HỆ THỐNG BIOGAS
1.3. Ảnh hưởng của hoạt động hệ thống Biogas đến phát thải KNK (CH 4 )
a, Đặc điểm của Khí sinh học
Theo [1] và [21], Khí sinh học là một hỗn hợp của các chất khí dễ cháy. Nó bao gồm chủ yếu là khí CH4 (chiếm 50 – 70%), CO2 (chiếm 30 – 45%) đƣợc hình thành từ sự phân hủy kị khí. Do CH4 cháy đƣợc, nên khí sinh học cháy đƣợc (bảng 1.8).
Bảng 1.8: Thành phần của khí sinh học
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 không màu, không 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 thường không 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 thông dụng
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống Biogas thông dụng Chất thải chăn nuôi Thu khí sinh học
Bể nạp
Sử dụng
Bể lắng
Hầm Biogas
Thải ra môi trường
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 nuôi đƣợc thu vào bể nạp sau đó mới đƣa vào hầm Biogas. Tại đây, xảy ra quá trình yếm khí, sinh khí sinh học (CH4 là chủ yếu chiếm 50-70% . Sau đó, các chất khí được thu lại để sử dụng, còn bã và nước thải được đưa sang bể lắng và thải ra ngoài môi trường.
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.
+ Nhược điểm: Chi phí cao, bảo dưỡng thường xuyên, nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ, nắp làm bằng kim loại nên không 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 vòm nắp cố định) (hình 1.6 .
+ Ưu điểm: Kết cấu dưới đất nên có nhiệt độ ổn định, xây dựng tại chỗ với vật liệu của địa phương, độ bền cao, ít phải bảo dưỡng.
+ Nhƣợc điểm: Tốn diện tích xây dựng, áp suất khí không ổn định, chi phí xây dựng cao, bảo dƣỡng khó khăn và không 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 nông, thích hợp cho vùng có vị trí nước ngầm cao.
+ Nhược điểm: Dễ hỏng, cần bảo dưỡng thường xuyên, áp suất khí thấp, tuổi thọ hầm thấp, nhạy cảm với thời tiết và đòi hỏi diện tích xây dựng lớn.
Hình 1.7: Hầm biogas dạng túi ủ
- Hầm dạng kết hợp (nắp cố định và túi khí _ mô hình VACVINA cải tiến) có xuất xứ tại Việt Nam (hình 1.8 .
+ Ưu điểm: nằm chìm dưới đất, ít chịu tác động của môi trường, 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
Ngoài ra, còn có hầm dạng đặc biệt: Hầm chảy dài và hầm ủ khô.
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 công năng thấp, không lấy đƣợc hết bã thải ra ngoài 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 quá trình yếm khí, sinh khí CH4 trong hầm biogas.
- Qúa trình yếm khí
Các chất thải dưới tác dụng của Vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành các chất hòa tan và chất khí. Phần lớn các chất sẽ bị chuyển hóa thành khí CH4 và khí CO2.
Các phản ứng sinh hóa của quá trình lên men yếm khí rất phức tạp và có rất nhiều phản ứng sinh hóa diễn ra (hình 1.9 .
Chất hữu cơ
⇒ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S +…
Hình 1.9: Sơ đồ quá trình vi sinh hóa lên men Methane
Nguồn: [17]
Theo [17], quá 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 thông qua quá 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 trước sẽ tiếp tục chuyển hóa thành các phân tử nhỏ hơn như 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 quá 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 đường.
+ 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 ( Đường, 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
Giai đoạn Methane hóa
+ Vi khuẩn Acetotrophic Methanogen chuyển hóa Axetat thành CH4 và CO2 và khoảng 70% khí Methane sinh ra bằng con đường 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. Ngoài ra, còn một số yếu tố khác ảnh hưởng 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 – 450C (Nhiệt độ tối ƣu là 350C và trên 450C (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 dưới 100C sẽ là cho vi khuẩn kém hoạt động và năng suất gas thấp ho c không 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 . Ngoài ra, còn 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 không đúng tỷ lệ này, quá loãng vi khuẩn không thể phân hủy, quá đ c thì gây cản trở việc thoát 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 hưởng 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 tương đương 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, sưởi ấm cho vật nuôi,…
+ Giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK.
Do khí sinh học là khí không màu, không 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 ô nhiễm cho môi trường 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 Nông 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 còn 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. Ngoài ra, bã của nó còn là thức ăn tốt cho nuôi giun.
+ Lợi ích khác
Phát triển hầm Biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi giúp hiện đại hóa nông thôn theo hướng tích cực hơn, giải quyết được nhiều công ăn việc làm cho người dân, hạn chế được việc sử dụng năng lượng hóa thạch, thuốc trừ sâu, phân bón hóa học. Hơn thế nữa, nó còn giúp cải tạo đất, chống xói mòn và suy thoái đất.
b, Mặt tiêu cực của sử dụng hầm biogas đến phát thải khí CH4
Để có được hệ thống Biogas, người nông dân phải bỏ ra một khoản chi phí đầu tƣ cao, đòi 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 người 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 quá 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 được tạo ra từ sản xuất khí sinh học. Các nước ở Đông 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 không g p bất kì vấn đề trục trắc nào. Nhƣng nếu xảy ra sự cố rò rỉ khí Methane từ bể phân hủy, bể lưu trữ khí sinh học cũng như rò rỉ từ các đường ống vận chuyển ho c việc xả thải khí sinh học vào bầu khí quyển sẽ gây ô nhiễm môi trường không khí. Khí sinh học xả thải không chỉ phát thải CH4 mà còn phát thải ra ngoài môi trường thêm một số chất khí khác có trong khí sinh học như H2S, N2O, CO, NH3,… gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và sinh vật. Bên cạnh đó, chúng còn làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu.
+ H2S là khí độc gây mùi hôi thối và ảnh hướng đến sức khỏe của con người nếu hoạt động của bể Biogas không đúng cách làm phát thải khí sinh học ra ngoài 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 quá 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 không thể tiêu thụ hết đƣợc lƣợng khí sinh ra rất dễ dẫn đến cháy, nổ hầm biogas.