2.1. Cơ sở lý luận của công trình khí sinh học
2.1.2. Phân loại công trình khí sinh học
Hiện nay ở Việt Nam đã có rất nhiều loại thiết bị KSH (bộ phận dùng để xử lý kỵ khí các chất hữu cơ) với các kích cỡ khác nhau được áp dụng để xử lý chất thải ở các quy mô khác nhau, từ quy mô hộ gia đình đến quy mô nông nghiệp, trang trại chăn nuôi lớn. Thiết bị KSH quy mô hộ gia đình là loại thiết bị đơn giản được phân thành 3 loại theo vị trí của bộ phận tích khí như sau: 1) Nắp chứa khí nổi; 2) Bộ phận tích khí kết hợp với bể phân giải; và 3) Bộ phận tích khí tách riêng. Các thiết bị KSH thông thường hoạt động theo phương thức nạp nguyên liệu liên tục hàng ngày được phân loại căn cứ theo cách thu khí. Về phân loại công trình KSH, người ta thường chia ra thành 3 loại chính sau: 1) Công trình nắp cố định; 2) Công trình làm bằng túi ni-lông; và 3) Công trình phủ bạt.
Công trình khí sinh học nắp cố định:
Loại công trình này được phát triển đầu tiên ở Trung Quốc, bộ phận chứa khí và bể phân giải được gắn với nhau thành một bể kín. Khí sinh ra được tích lại ở phía trên sẽ tạo ra áp suất nén xuống mặt dịch phân giải, đẩy một phần dịch phân giải lên bể điều áp được nối với lối ra. Giữa bề mặt dịch phân giải và bề mặt thoáng ở ngoài không khí có độ chênh lệch nhất định, thể hiện áp suất khí trong công trình KSH. Khí tích lại càng nhiều thì độ chênh lệch càng lớn. Khi lấy khí sử dụng thì dịch phân hủy từ bể điều áp lại chảy vào bể phân giải và đẩy khí lên, áp suất khí khi đó sẽ giảm dần tới không. Dựa vào dạng hình học của bể phân hủy có thể chia thiết bị nắp cố định thành 3 loại khác nhau như sau: loại hình hộp; loại hình trụ và loại hình cầu.
Công trình KSH nắp cố định được xây dựng từ gạch, xi-măng là các vật liệu thông thường sẵn có ở địa phương nên mức độ sẵn có của vật liệu cao và kích thích sản xuất, sử dụng nguồn nhân lực tại địa phương. Kiểu công trình này có bể điều áp để điều hòa áp suất khí trong bể phân giải nên áp suất khí cao và ổn định; hơn nữa thời gian lưu đủ đảm bảo cho chất thải phân giải được gần hết
trong bể phân giải nên các chỉ số về môi trường cao hơn các loại khác như các chỉ số về mùi, COD, BOD5, coliform. Mặc dù chi phí đầu tư xây dựng ban đầu cao hơn so với các loại khác nhưng tuổi thọ và thời gian thu hồi vốn cao nên lợi ích kinh tế từ kiểu công trình này đem lại ưu việt hơn các kiểu khác.
Công trình KSH làm bằng túi nilông:
Loại thiết bị bằng túi chất dẻo đầu tiên được phát triển ở Đài loan và chế tạo bằng chất dẻo bùn đỏ (Red Mud Plastic - RMP) năm 1974. Có thể coi đây là biến thể của loại nắp cố định. Bể phân giải là một túi bằng chất dẻo hoặc cao su.
Phần dưới là bể phân giải, còn phần trên là nơi chứa khí. Loại này đã phát triển mạnh ở Việt Nam nhất là tại các tỉnh phía Nam.
+ Ưu điểm:
- Có thể sản xuất hàng loạt nên dễ tiêu chuẩn hóa.
- Giá thành hạ nên đầu tư ban đầu thấp.
- Kỹ thuật nắp đặt đơn giản nhanh chóng.
- Dễ dàng nắp đặt trong các điều kiện địa hình khác nhau + Nhược điểm:
- Tốn diện tích mặt bằng.
- Thời gian sử dụng ngắn, dễ hư hỏng (thủng do chuột, dế cắn…).
- Độ an toàn thấp dẫn đến nguy cơ hỏa hoạn hoặc ngạt khí gas.
- Nếu xây kè thành hố và đổ tấm đan đậy thì giá thành không thấp hơn với thiết bị nắp cố định.
- Khó lấy bỏ váng và lắng cặn sau khoảng 3 năm (tùy công suất sử dụng) bể sẽ đầy và phải thay túi.
- Bảo ôn kém, đặc biệt với mùa đông công trình hoạt động kém hiệu quả.
- Áp suất thấp nên sử dụng khí hiệu suất thấp, không dẫn được khí đi xa.
Công trình KSH phủ bạt:
Đây là công nghệ mới được đưa vào Việt Nam trong vài năm vừa qua.
Loại bạt sử dụng trong xây dựng loại hầm này là HDPE (High Density Polyethinel).
Ưu điểm của loại hầm này:
- Có dung tích lớn tùy ý, có thể lên tới hàng nghìn m3. Chính vì vậy có thể áp dụng được cho các trang trại chăn nuôi lớn.
- Giá thành rẻ tính cho một đơn vị dung tích.
Nhược điểm:
- Kém bền hơn so với loại hầm xây bằng gạch.
- Dễ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên ngoài.
- Dễ bị hỏng (thủng) nếu có các yếu tố tác động.
Hiện nay loại hầm này phát triển ở cả các miền ở Việt Nam đặc biệt là tại những vùng có chăn nuôi quy mô lớn. Có những hầm biogas loại này có thể tích lên đến 36.000 m3. Thời gian sử dụng loại hầm này có thể tới trên 15 năm.
Ở Việt Nam hiện nay, các hộ chăn nuôi với quy mô nông hộ đa phần sử dụng kiểu công trình khí sinh học nắp cố định. Chỉ còn rất ít hộ chăn nuôi vùng Tây Nam Bộ là còn sử dụng công trình KSH làm bằng túi ni-lông; còn đối với công trình KSH phủ bạt chỉ phù hợp với những trang trại lớn, quy mô chăn nuôi nhiều và có mặt bằng để xây dựng. Sau đây là ba loại công trình KSH nắp cố định chính đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Việc lựa chọn loại công trình căn cứ vào ưu, nhược điểm, phạm vi áp dụng và điều kiện của người ứng dụng (địa điểm xây dựng, vật liệu, thợ xây).
- Kiểu công trình KSH nắp cố định vòm cầu KT1 và KT2
KT1 và KT2 là hai kiểu công trình KSH vòm cầu nắp cố định được lựa chọn đưa vào các thiết kế mẫu của Tiêu chuẩn ngành về công trình KSH quy mô hộ gia đình được Bộ NN&PTNT ban hành năm 2006. KT1 được áp dụng cho vùng đất tốt, mực nước ngầm thấp, diện tích mặt bằng để xây dựng công trình tương đối hẹp. KT2 được áp dụng cho vùng đất yếu, mực nước ngầm cao và diện tích mặt bằng để xây dựng công trình tương đối rộng. Cho đến nay, KT1 và KT2 vẫn là hai kiểu thiết kế được Dự án “Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” áp dụng cho 58 tỉnh, thành phố trên cả nước. Ngoài ra các dự án khí sinh học trực thuộc Bộ NN&PTNT khác như dự án “Nâng cao chất lượng, an toàn sản phẩm nông nghiệp và phát triển chương trình khí sinh học” (QSEAP);
dự án “Nâng cao năng lực cạnh tranh và an toàn thực phẩm” (LIFSAP) và dự án
“Hỗ trợ nông nghiệp các-bon thấp” (LCASP) đều đang áp dụng hai kiểu thiết kế này. Trên thực tế, ngoài các dự án khí sinh học trên, nhiều hộ chăn nuôi cũng đã lựa chọn xây theo kiểu KT1 và KT2 mà không có sự giúp đỡ của dự án.
Kiểu KT1 và KT2 có cấu trúc tương tự nhau gồm có 6 bộ phận như trong Hình 1, được xây dựng bằng các vật liệu xây dựng thông thường.
1 Bể nạp 4 Ống lấy khí
2 Ống lối vào 5 Ống lối ra
3 Bể phân huỷ 6 Bể điều áp
Hình 2.1. Cấu tạo của thiết bị KT1 (trái) và KT2 (phải)
Ưu điểm của hai kiểu KT1 và KT2 là giá thành hạ do tiết kiệm vật liệu hơn các loại khác vì diện tích bề mặt nhỏ nhất và lực chịu khỏe nhất do gạch được xây nghiêng. Do bề mặt phần giữ khí là đới cầu có diện tích nhỏ nhất và không có góc cạnh nên giảm tổn thất khí và tránh được các rạn nứt về sau trong quá trình vận hành và sử dụng. Vì thiết bị được xây ngầm dưới đất nên dễ vận hành và ít tốn diện tích mặt bằng. Thiết bị cũng hạn chế sự hình thành váng do bề mặt dịch phân giải phía trong luôn lên xuống, diện tích liên tục thu lại và mở rộng ra. Ngoài ra, do được thiết kế hợp lý nhờ một chương trình máy tính tối ưu hóa nên đây là thiết kế công trình đã được hội đồng thẩm định cấp nhà nước chấp nhận và được thử nghiệm, chứng minh tính ưu việt qua hơn 15 năm ứng dụng.
Người chăn nuôi cũng có nhiều cơ hội lựa chọn vì có đến 128 cỡ khác nhau. Với các thiết kế cho các kích thước công trình phù hợp với điều kiện khí hậu, số lượng và loại nguyên liệu nạp, nhu cầu sử dụng khí của từng gia đình nên khi đưa vào sử dụng, các kiểu thiết bị KT1 và KT2 đã phát huy tối đa công suất và tác dụng của nó trong việc xử lý chất thải chăn nuôi và nó cũng đang được áp dụng rộng rãi nhất trên cả nước.
1
2
3
5 4
6
Tuy nhiên kiểu KT1 và KT2 cũng còn có một số nhược điểm cần được khắc phục và cải tiến như: Người thợ xây dựng theo hai kiểu này phải được đào tạo vì kỹ thuật xây dựng khác lạ; quá trình xây, trát phải hết sức chú ý nếu không sẽ gây thất thoát khí trong quá trình vận hành và sử dụng công trình.
- Kiểu VACVINA
Đây là kiểu mô hình do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển cộng đồng nông thôn thuộc Hội làm vườn Việt Nam (VACVINA) giới thiệu, còn được gọi là mô hình VACVINA cải tiến. Nguyên liệu nạp được đưa và bể phân giải có các hình dạng khác nhau (hình khối hộp chữ nhật, hình trụ, hoặc hình dạng bất kỳ) nhờ một hệ thống ống si-phông đầu vào. Khí sinh học sinh ra được lưu trữ nhờ một hệ thống túi dự trữ khí ở bên ngoài hệ thống bể. Loại mô hình này được áp dụng và thử nghiệm từ năm 1998 nhưng cho đến nay còn rất ít hộ gia đình sử dụng.
Kiểu VACVINA có cấu trúc đơn giản như các bể tự hoại của nhà vệ sinh tự hoại quy mô gia đình. Do đó kỹ thuật xây dựng đơn giản và rất quen thuộc với thợ xây dựng. Bể gồm 5 bộ phận chính như Hình 2. Các loại vật liệu để xây bể bao gồm: gạch, xi măng, cát, sắt và một số loại ống. Chi phí xây dựng tuỳ thuộc vào kích thước của bể. Bể này có tuổi thọ khoảng 15-20 năm.
1 Ống nạp (ống lối vào) 3 Bể chứa dịch thải
2 Bể phân giải 4 Ống xả (lối ra)
5 Túi chứa khí Hình 2.2. Cấu tạo của kiểu VACVINA
Tuy nhiên kiểu này có một số nhược điểm sau: Áp suất khí thấp nên sử dụng khí hiệu suất thấp, khó dẫn khí đi xa; tốn nhiều vật liệu hơn các dạng khác
với cùng một thể tích phân giải; các góc cạnh là nơi chịu áp lực lớn nên hay bị nứt; các góc cạnh cũng là vùng tĩnh, ít hoạt động của bể, do vậy thể tích hoạt động thực tế của bể nhỏ hơn tổng thể tích của nó.
- Kiểu composite
Công trình KSH composite đã được thiết kế và phát triển ở Trung quốc, Ấn độ khoảng 30 năm trước đây, đồng thời đã được áp dụng một cách rộng rãi ở các nước lân cận như Băng-la-des, Nê-pan. Ở Việt nam, từ năm 2004 đã có một số công ty nhập khẩu bể composite, từ đó nhiều doanh nghiệp Việt nam đã phát triển sản xuất loại bể này một cách vững chắc dựa trên việc nhập khẩu các bản thiết kế.
Có 3 kích cỡ bể KSH composite được sản xuất và lắp đặt ở Việt nam (4,2m3; 6,2m3 và 7,5m3) từ năm 2006, chủ yếu do các công ty composite tư nhân sản xuất. Các công ty chính sản xuất bể composite là Công ty TNHH Hưng Việt, Môi Trường Xanh, Quang Huy, Thành Lộc (ở Thái bình), Bảo Chung (ở Hà tĩnh), Cẩm Tuấn Phát (Đồng Nai)...Tuy loại hình bể KSH compozit ở Việt nam còn mới mẻ, nhưng đã được thị trường chấp nhận.
Bể KSH composite thường được sản xuất thành 4 bộ phận tách rời như Hình 2.3, sau đó vận chuyển đến hộ nông dân và được lắp ráp thành hệ thống hoàn chỉnh.
1. Bể nạp 2. Bể điều áp
3. Bộ phận chứa khí 4. Bể phân giải 5. Ống lấy khí
Hình 2.3. Các bộ phận của bể KSH composite
Composite là vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu đơn lẻ ban đầu về độ chịu lực, chịu sức kéo, bền và nhẹ. Ưu điểm chính của thiết bị kiểu compsite là chất lượng cao, lắp đặt nhanh. Tuy nhiên, vì chỉ có hạn chế cỡ bể và kích thước bé nên người chăn nuôi không có nhiều lựa chọn. Khi cần công trình có quy mô lớn hơn thì phải lắp đặt nhiều bể, tốn diện tích mặt bằng và giá thành rất cao.