Loại hầm này được phỏt triển đầu tiờn ở Trung Quốc, bộ phận chứa khớ và bể phõn hủy được gắn với nhau thành một bể kớn. Khớ sinh ra được tớch lại ở phớa trờn sẽ tạo ra ỏp suất nộn xuống mặt dịch phõn hủy, đẩy một phần dịch phõn hủy lờn bể điều ỏp được nối với lối ra. Giữa bề mặt dịch phõn hủy và bề mặt thoỏng ở ngoài khụng khớ cú độ chờnh lệch nhất định, thể hiện ỏp suất khớ trong bể biogas. Khớ tớch lại càng nhiều thỡ độ chờnh lệch càng lớn. Khi lấy khớ sử dụng thỡ dịch phõn hủy từ bể điều ỏp lại chảy vào bể phõn hủy và đẩy khớ lờn, ỏp suất khớ khi đú sẽ giảm dần tới khụng.
Dựa vào dạng hỡnh học của bể phõn hủy cú thể chia thiết bị nắp cốđịnh thành 3 loại
khỏc nhau như sau: - Loại hỡnh hộp - Loại hỡnh trụ - Loại hỡnh cầu 1.3.1.1. Loại thiết bị nắp cốđịnh hỡnh hộp Bể phõn hủy được xõy dạng hỡnh hộp, phần chứa khớ cú dạng hỡnh cầu bằng cụm-pụ- dit gắn lờn bề mặt phõn hủy. Lối ra được mở rộng để làm cửa thăm.
Dựng vũm cụm-pụ-dit nờn giữ kớn khớ và tiờu chuẩn húa. Ưu điểm của loại thiết bị này là kỹ thuật xõy dựng đơn giản nờn rất dễ thi cụng. Tuy nhiờn nú cũng cú một số nhược điểm là:
- Giỏ thành cao vỡ phải dựng vũm cụm-pụ-dit chế tạo sẵn - Tốn nhiều vật liệu
- Cỏc gúc cạnh là nơi chịu ỏp lực lớn nờn hay bị nứt
- Cỏc gúc cạnh cũng là vựng tĩnh và là vựng ớt hoạt động của bể. Do vậy thể tớch hoạt động thực tế của bể nhỏ hơn tổng thể tớch của nú.
1.3.1.2. Loại thiết bị nắp cốđịnh hỡnh trụ
Bể phõn hủy được xõy bằng gạch với cổ hai lớp, tạo ra một khe tương tự như gioăng nước ở loại nắp nổi. Dựng nắp nổi bằng bờ tụng cốt thộp đổ lồng vào khe quanh cổ và gắn cốđịnh với bể phõn hủy. Lối ra được mở rộng làm cửa thăm vào bể phõn hủy.
+ Ưu điểm:
- Kỹ thuật xõy dựng đơn giản và khỏ tiết kiệm vật liệu xõy dựng. - Hạn chế gúc cạnh. + Nhược điểm - Khụng tiết kiệm bằng loại nắp cố định hỡnh cầu và phần vũm bờn trờn vẫn phải dựng vũm hỡnh cầu. 1.3.1.3. Loại thiết bị nắp cốđịnh hỡnh cầu Bể phõn hủy cú dạng bỏn cầu, tại thõn vũm nằm ở khoảng trờn 300 tớnh từ tõm đỏy trở lờn cú một vành chống rạn nứt gọi là vành yếu (Week ring). + Ưu điểm của loại thiết bị này:
- Giỏ thành hạ do tiết kiệm được nguyờn vật liệu vỡ diện tớch bề mặt nhỏ nhất và gạch được xõy nghiờng. Chỉ dựng vật liệu thụng thường hạn, chế sử dụng sắt thộp tới mức tối đa.
- Bề mặt phần giữ khớ là đới cầu cú diện tớch nhỏ nhất và khụng cú gúc cạnh nờn giảm tổn thất khớ và trỏnh được sự giạn nứt sau này.
- Bể phõn hủy cú bề mặt nhỏ và được đặt ngầm dưới đất nờn hạn chế sự trao đổi nhiệt giữa dịch phõn hủy và mụi trường xung quanh, giữ nhiệt độổn định ớt chịu ảnh hưởng của thời tiết lạnh về mựa đụng.
- Bểđược đặt ngầm nờn dễ vận hành và chiếm ớt diện tớch mặt bằng
- Bề mặt dịch phõn hủy luụn lờn xuống, diện tớch liờn tục thu lại và mở rộng ra nờn hạn chế hỡnh thành vỏng.
+ Nhược điểm
- Dễ bị tổn thất khớ nếu xõy trỏt khụng tốt. - Tớnh toỏn thiết kế phức tạp.
1.3.2. Biogas tỳi nilụng
Loại thiết bị bằng tỳi chất dẻo đầu tiờn được phỏt triển ởĐài loan và chế tạo bằng chất dẻo bựn đỏ (Red Mud Plastic –RMP) năm 1974. Cú thể coi đõy là biến thể của loại nắp cố định. Bể phõn hủy là một tỳi bằng chất dẻo hoặc cao su. Phần dưới là bể phõn hủy, cũn phần trờn là nơi chứa khớ. Loại này đó phỏt triển mạnh ở Việt Nam nhất là tại cỏc tỉnh phớa Nam.
+ Ưu điểm
- Cú thể sản xuất hàng loạt nờn dễ tiờu chuẩn húa. - Giỏ thành hạ nờn đầu tư ban đầu thấp.
- Kỹ thuật nắp đặt đơn giản nhanh chúng.
- Dễ dàng nắp đặt trong cỏc điều kiện địa hỡnh khỏc nhau + Nhược điểm
- Tốn diện tớch 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 gas.
- Nếu xõy kố thành hố và đổ tấm đan đậy thỡ giỏ thành khụng thấp hơn với thiết bị nắp cốđịnh.
- Khú lấy bỏ vỏng và lắng cặn sau khoảng 3 năm (tựy cụng suất sử dụng) bể sẽđầy và phải thay tỳi.
- Bảo ụn kộm, đặc biệt với mựa đụng cụng trỡnh hoạt động kộm hiệu quả. - Áp suất thấp nờn sử dụng khớ hiệu suất thấp, khụng dẫn được khớ đi xa.
1.4. Hầm biogas phủ bạt
Đõy là cụng nghệ mới được đưa vào Việt Nam trong vài năm vừa qua. Loại bạt sử
dụng trong xõy dựng loại hầm này là HDPE (High Density Polyethinel).
Ưu điểm của loại hầm này:
- Cú dung tớch lớn tựy ý, cú thể lờn tới hàng nghỡn m3. Chớnh vỡ vậy cú thể ỏp dụng được cho cỏc trang trại chăn nuụi lớn.
- Giỏ thành rẻ tớnh cho một đơn vị dung tớch Nhược điểm:
- Kộm bền hơn so với loại hầm xõy bằng gạch - Dễ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ bờn ngoài - Dễ bị hỏng (thủng) nếu cú cỏc yếu tố tỏc động Hiện nay loại hầm này phỏt triển ở cả cỏc miền ở Việt Nam đặc biệt là tại những vựng cú chăn nuụi quy mụ lớn (hỡnh 1.7). Cú những hầm biogas loại này cú thể tớch lờn đến 8000 m3. Thời gian sử dụng loại hầm này cú thể tới trờn 10 năm. Hỡnh 1-7. Hầm biogas phủ bạt 1.5. Thiết kế và xõy dựng hầm biogas nắp cốđịnh
1.5.1. Hỡnh dạng và tải trọng tĩnh
Hệ thống hầm biogas phải kớn nước và kớn khớ, thụng thường hầm biogas được xõy bằng gạch hoặc bờ tụng. Nhưng cỏc kết cấu khối xõy và bờ tụng thường cú cỏc vết nứt. Do vậy cần phải xỏc định vị trớ xuất hiện cỏc vết nứt để hạn chế và khắc phục.
Vết nứt thường xuất hiện ở nơi cú ứng suất kộo cao nhất. Hay do bị lỳn khụng đều, và cú thể do hiện tượng co ngút của vữa, bờ tụng sau khi xõy.
Tỏc dụng của ngoại lực lờn hầm biogas cú thể giảm đi nếu hầm biogas cú hỡnh dạng kết cấu hợp lý. Ngoại lực tỏc dụng theo một phương sẽ gõy ra ứng suất lớn tại phương đú. Nhưng nếu ngoại lực được phõn ra theo nhiều phương khỏc nhau thỡ ứng suất xuất hiện sẽ nhỏ hơn. Điều này được thể hiện tại cỏc kết cấu dạng vỏ, đặc biệt là trong kết cấu dạng hỡnh vũm cầu.
Áp lực nước và đất cú thể giảm đi ở những cụng trỡnh đặt nụng trong lũng đất vỡ cả hai ỏp lực đất và nước đều phụ thuộc cào chiều cao của kết cấu trong lũng đất.
Vết nứt thường xuất hiện ở những nơi cú lực kộo lớn. Hiện tượng này thường xảy ra ở cỏc mộp cạnh, cỏc gúc của kết cấu tại cỏc điểm giao của cỏc mặt phẳng. Đỉnh ứng suất luụn xuất hiện ở cỏc cạnh của cấu trỳc hỡnh hộp. Vỡ vậy khoảng khụng gian chứa khớ của thiết bị khớ sinh học khụng bao giờđược cú dạng hỡnh hộp.
Áp lực do khớ và dịch phõn huỷ tỏc dụng lờn kết cấu cú chiều hướng từ trong ra ngoài. Áp lực đất thỡ ngược lại cú tỏc dụng từ ngoài vào trong. Nếu hai ỏp lực này cõn bằng nhau thỡ đõy là trường hợp tải trọng cú lợi nhất cho kết cấu. Ở dạng vũm cầu, ngay cả khi đất rắn chắc kết cấu vẫn nhận được ỏp lực đất.
Hầm biogas dạng hỡnh cầu là dạng hầm cú kết cấu hợp lý nhất vỡ nú khụng cú cỏc gúc cạnh, cỏc thành phần tải trọng gõy ra chủ yếu là lực nộn, sử dụng ớt vật liệu nhất. Vỡ vậy hiện nay mụ hỡnh hầm biogas dạng vũm cầu đang được sử dụng rộng rói
1.5.2. Chọn và tớnh toỏn cỏc thụng số ban đầu
Xõy dựng hầm biogas nắp cố định theo phương thức nạp bổ sung hàng ngày với nguyờn liệu là phõn động vật. Bởi vậy, khi xõy dựng cần dựa trờn cỏc thụng số sau để tớnh toỏn:
+ Lượng nguyờn liệu nạp vào hàng ngày: Md(kg/ngày)
+ Tỷ lệ pha loóng: N (l/kg)
+ Hiệu suất sinh khớ của nguyờn liệu: Y (l/kg/ngày) + Thời gian lưu: RT (ngày)
+ Hệ số lưu trữ khớ: K - Cỏc thụng số cấn tớnh là:
+ Lượng cơ chất nạp hàng ngày: Sd (l/ngày) + Thể tớch phõn huỷ: Vd (m3)
+ Cụng suất của thiết bị: G (m3/ngày) + Thể tớch trữ khớ: Vg (m3)
+ Thể tớch nắp chứa khớ với thiết bị nắp nổi hoặc thể tớch bểđiều ỏp với thiết bị nắp cốđịnh: Vc (m3).
1.5.2.1. Lượng nguyờn liệu nạp hàng ngày N (kg/ngày) và hiệu suất sinh khớ Y (l/kg/ngày)
Trong thực tế lượng phõn hàng ngày luụn biến động. Nú phụ thuộc vào loài động vật, số lượng, lứa tuổi và loại thức ăn.... Vỡ vậy nờn ước tớnh lượng phõn tối đa và xột tới xu hướng phỏt triển chăn nuụi của cơ sởđể xõy dựng hệ thống biogas cú thể sử dụng lõu dài.
Bảng 1-11. Lượng phõn thải ra và lượng khớ sinh học hàng ngày
Nguồn phõn thải Lượng phõn th(kg/con) ải hàng ngày Sản lượ(lớt/kg/ngày) ng khớ hàng ngày
Bũ 15-20 15-32
Trõu 18-25 15-32
Lợn 1,2-4,0 40-60
Gia cầm 0,02-0,05 50-60
Người 0,18-0,34 60-70
Nguồn: Nguyễn Quang Khải và cs, 2003.
1.5.2.2. Tỉ lệ pha loóng N (l/kg)
Cơ chất cú hàm lượng chất khụ tối ưu là 7 – 9%. Khi tớnh toỏn thiết kế hàm lượng chất khụ của cỏc loại phõn cú thể tham khảo ở bảng sau:
Bảng 1-12. Hàm lượng chất khụ một số loại phõn
Loại phõn Ch(%) ất khụ Loại phõn Ch(%) ất khụ
Lợn 18 Dờ 30
Bũ 16 Gà 25
Trõu 14 Người 20
Nguồn: Nguyễn Quang Khải và cs, 2003.
Đối với cỏc loại phõn lợn và trõu bũ khi thiết kế thụng thường người ta chọn tỉ lệ pha loóng là 1 lớt nước cho 1kg phõn.
1.5.2.3. Thời gian lưu trữ RT (ngày)
Xỏc định thời gian lưu trữ làm cơ sở cho việc thiết kế xõy dựng hầm biogas. Thời gian lưu trữ khụng chỉ phụ thuộc vào loại nguyờn liệu mà phụ thuộc rất lớn vào điều kiện khớ hậu (do điều kiện khớ hậu ảnh hưởng tới nhiệt độ trong hầm ủ) (bảng 1.13).
Bảng 1-13. Thời gian lưu chất thải theo nhiệt độ
Vựng Nhiệt độ TB (0C) Thời gian lưu (ngày)
I 10-15 60
II 15-20 50
III >20 40
Nguồn: Tiờu chuẩn ngành: 10TCN492-2002 1.5.2.4. Hệ số trữ khớ K
Chọn hệ số này theo yờu cầu sử dụng khớ.
+ Nếu sử dụng đểđun nấu, thắp sỏng hàng ngày chỉ cần trữ khớ ban đờm (12 giờ). Lỳc này hệ số trữ khớ K=12/24=0,5.
+ Nếu dựng khớ chạy mỏy phỏt điện hoặc thắp sỏng ban đờm thỡ thời gian trữ khớ lõu
nhất là 20 giờ/ngày. K=20/24=0,833.
1.5.3.Tớnh toỏn cỏc thụng số chủ yếu
1.5.3.1. Lượng cơ chất nạp hàng ngày Sd (l/ngày)
Lượng cơ chất nạp hàng ngày bằng lượng nguyờn liệu nạp hàng ngày cộng với lượng nước pha loóng. Do phõn cú tỉ trọng xấp xỉ bằng 1 nờn cú thể coi thể tớch của phõn bằng khối lượng của nú.
Sd = (1 + N) x Md
Đối với phõn lợn, phõn trõu bũ tỉ lệ pha loóng chọn là 1:1 khi đú ta cú Sd = 2 x Md
1.5.3.2. Thể tớch phõn huỷ Vd (m3)
Vd = Sd x RT/1000
1.5.3.3. Cụng suất của thiết bị (m3/ngày)
G = Md x Y/1000
1.5.3.4. Thể tớch trữ khớ Vg (m3)
Thể tớch trữ khớ được tớnh theo cụng suất (G, m3/ngày) của thiết bị và hệ số trữ khớ (K). Thể tớch trữ khớ (m3): Vg = K + G Vg= K x Md x Y/1000 Nếu khớ được sử dụng phục vụđun nấu và thắp đốn hàng ngày thỡ chọn K = 0,5 Vậy ta cú cụng thức đơn giản:Vg = 0,5 x Md x Y/1000 1.5.3.5. Thể tớch bểđiều ỏp Vc (m3) Thể tớch hữu hiệu của bộ phận chứa khớ phải bằng thể tớch khớ cần trữ.
1.5.4. Thết kế bể phõn huỷ và bểđiều ỏp
Khi thiết kế phải tớnh cỏc thụng số kớch thước của bể phõn huỷ và bểđiều ỏp.
Phần chứa khớ: Đối với phần chứa khớ, quan trọng nhất là đảm bảo khụng thấm khớ. Do vậy khụng bố trớ những chỗ nối ở phần này vỡ đõy là những nơi cú nguy cơ rũ rỉ khớ cao.
Để vỏng ở bể phõn huỷ khụng bao giờ cú thể chui vào làm tắc ống lấy khớ, phải bố trớ đầu dưới của ống lấy khớ nằm cao hơn mức xả tràn ớt nhất là 15 cm.
1.5.5. Thiết kế cỏc bộ phận phụ
1.5.5.1. Bể nạp nguyờn liệu
Nguyờn liệu nạp được pha loóng với nước và hoà trộn đều để tạo thành dịch phõn huỷ đồng đều tại bể nạp nguyờn liệu. Cỏc tạp chất khụng phõn huỷ như cỏt, đỏ, sỏi, cành cõy,... được loại bỏởđõy. Dung tớch bể nạp nờn lấy bằng 1,5 tới 2 lần lượng cơ chất nạp hàng ngày.
Đỏy bể nạp phải cao hơn cốt tràn để trỏnh khụng cho dịch phõn huỷ mới nạp tràn lờn bể phõn huỷ, gõy mất vệ sinh.
Nếu muốn cho phõn tự chảy từ chuồng vào bể thỡ đỏy bể nạp phải thấp hơn cốt chuồng.
Làm nắp đậy miệng bể nạp và dựng que sắt đầu cú nắp để di chuyển nắp. Khi hoà phõn với nước thỡ đậy nắp lại. Sau đú nhấc nắp ra cho dịch phõn huỷ chảy qua, cặn bó và bựn nằm lại ởđỏy để dễ xỳc bỏđi.
2.5.5.2. Ống vào và ống ra
Cỏc ống vào và ra phải dẫn thẳng vào bể, khụng nờn cú chỗ gấp khỳc để trỏnh nguy cơ bị tắc. Ống vào nờn cú cỡΦ 150 -200 mm. Ống ra cú thể nhỏ hơn cỡ Φ 90 -100 mm. Hiện nay nờn dựng ống nhựa PVC để nắp đặt.
1.5.6. Lựa chọn địa điểm xõy dựng hầm biogas nắp cốđịnh
Lựa chọn địa điểm thớch hợp là việc làm đầu tiờn. Để cho bể biogas hoạt động thuận tiện, tuổi thọ lõu dài, dễ dàng thi cụng, việc lựa chọn địa điểm được căn cứ vào cỏc yờu cầu sau:
- Đảm bảo đủ diện tớch mặt bằng để xõy dựng hầm theo đỳng kớch thước dự kiến. Tiết kiệm diện tớch mặt bằng, trỏnh ảnh hưởng cỏc cụng trỡnh khỏc.
- Cỏch xa nơi đất trũng để trỏnh bị nước ngập, xa ao, hồ để trỏnh nước ngầm, thuận tiện khi thi cụng và giữ cho cụng trỡnh bền vững lõu dài.
- Trỏnh những nơi múng cú cường độ kộm để khụng phải xử lý múng phức tạp và tốn kộm. - Trỏnh khụng cho rễ cõy ăn xuyờn vào cụng trỡnh làm hỏng cụng trỡnh về sau.
- Gần nơi cung cấp nguyờn liệu nạp đểđỡ tốn cụng sức vận chuyển nguyờn liệu. - Gần nơi sử dụng khớ để tiết kiệm đường ống, trỏnh tổn thất ỏp suất trờn đường ống và hạn chế nguy cơ tổn thất khớ do đường ống bị dũ rỉ.
- Gần nơi xử lý chế biến bó thải để cho bó thải lỏng chảy thẳng vào bể xử lý.
- Đặt ở nơi cú nhiều nắng, kớn giú để giữ nhiệt độ cao tạo điều kiện thuận lợi cho quỏ trỡnh sinh khớ.
Cỏch xa nguồn nước giếng từ 10m trở nờn để ngăn ngừa khả năng nước giếng bị nhiễm bẩn.
1.5.7. Chuẩn bị vật liệu
Xõy dựng hầm biogas nắp cốđịnh được xõy dựng bằng cỏc vật liệu thụng thường. Để đảm bảo chất lượng cụng trỡnh, cần lựa chọn vật liệu đảm bảo cỏc yờu cầu dưới đõy:
1.5.7.1. Gạch
Cụng trỡnh xõy dựng ngầm dưới đất, thường xuyờn chứa nước và khớ nờn chọn gạch đặc loại một. Gạch được nung chớn đều, cú kớch thước đều đặn. Khụng sử dụng gạch phồng, gạch non hoặc kớch thước khụng đều. Bề mặt gạch phải sạch khụng cú đất cỏt hoặc rờu bỏm bẩn.
1.5.7.2. Cỏt
Vữa xõy sử dụng cỏt vàng đường kớnh khụng quỏ 3mm, cũn vữa trỏt thỡ sử dụng cỏt