Tài liệu Hiệu quả sản xuất khí biogas của công trình ksh quy mô trung bình ở trang trại chăn nuôi lợn tại bắc ninh góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH ĐẶNG HƢƠNG GIANG HIỆU QUẢ SẢN XUẤT KHÍ BIOGAS CỦA CÔNG TRÌNH KHÍ SINH HỌC QUY MÔ TRUNG BÌNH (200-250m3) Ở TRANG TRẠI CHĂN NUÔI LỢN TẠI BẮC NINH GÓP PHẦN GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI – 2017 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC ĐẶNG HƢƠNG GIANG HIỆU QUẢ SẢN XUẤT KHÍ BIOGAS CỦA CÔNG TRÌNH KHÍ SINH HỌC QUY MÔ TRUNG BÌNH (200-250m3) Ở TRANG TRẠI CHĂN NUÔI LỢN TẠI BẮC NINH GÓP PHẦN GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Chính HÀ NỘI – 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Bùi Văn Chính. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều đƣợc trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 3 năm 2017 Tác giả: Đặng Hƣơng Giang iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Thầy cô, gia đình và bạn bè. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Văn Chính, ngƣời đã hƣớng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy, Cô đã dạy tôi trong suốt thời gian học cao học, chuyên ngành Biến đổi khí hậu, cảm ơn Quý Thầy, Cô trong khoa sau Đại Học, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành khóa học này. Tôi xin cảm ơn đến các anh chị, các bạn trong lớp Biến đổi khí hậu K3, những ngƣời luôn động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Văn Quang, chị Trịnh Thị Mý, hai chủ trang trại đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bản luận văn. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những đồng nghiệp tại Trung tâm Năng lƣợng tái tạo, Viện Năng lƣợng đã động viên hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành nghiên cứu này. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 3 năm 2017 Tác giả: Đặng Hƣơng Giang iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………………i v BẢNG CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................................... vii GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................... 1 1. Sự cần thiết của nghiên cứu ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu của nghiên cứu ................................................................................................. 2 3. Kết quả và những đóng góp của nghiên cứu ..................................................................... 2 4. Bố cục của đề tài ............................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KHÍ SINH HỌC, CƠ CHẾ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ LĨNH VỰC KHÍ SINH HỌC ................................ 4 1.1. Nghiên cứu tổng quan về khí sinh học .......................................................................... 4 1.1.1. Khí sinh học đƣợc sản sinh ra nhƣ thế nào? .............................................................. 4 1.1.2. Thành phần của khí sinh học .................................................................................... 6 1.1.3. Tính chất của KSH .................................................................................................... 9 1.1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hoạt động của công trình KSH ................... 9 1.2. Cơ chế giảm phát thải KNK của công nghệ KSH ........................................................ 13 1.2.1. Hiệu ứng nhà kính và khí nhà kính.......................................................................... 13 1.2.2. Cơ chế giảm phát thải KNK của công nghệ KSH ................................................... 19 1.2.3. Triển vọng tham gia thị trƣờng cacbon và các Dự án CDM về khí sinh học ở Việt Nam……………….. ................................................................................................................ 21 1.3. Tổng quan về nghiên cứu và phát triển KSH quy mô vừa và lớn trên thế giới và Việt Nam……………………………………………………………………………………22 1.3.1. Tổng quan về nghiên cứu và phát triển KSH quy mô vừa và lớn trên thế giới ....... 22 1.3.2. Tổng quan về nghiên cứu và phát triển KSH quy mô vừa và lớn ở Việt Nam ....... 23 1.4. Tiềm năng phát triển khí sinh học và sử dụng công trình KSH ở Bắc Ninh ................... 25 1.4.1. Tiềm năng sử dụng và phát triển khí sinh học của tỉnh Bắc Ninh ........................... 25 1.4.2. Công trình KSH hình ống quy mô trung bình ở Bắc Ninh ...................................... 27 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 29 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 29 2.1.1. Trang trại 1: Trang trại chăn nuôi lợn của bà Trịnh Thị Mý ................................... 29 2.1.2. Trang trại 2: Trang trại chăn nuôi lợn của Ông Nguyễn Văn Quang ...................... 30 2.1.3. Thiết bị khí sinh học ................................................................................................ 30 v 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................................ 31 2.2.1. Phƣơng pháp kế thừa tài liệu và tƣ liệu ................................................................... 31 2.2.2. Phƣơng pháp khảo sát thực địa và thu thập thông tin.............................................. 32 2.2.3. Phƣơng pháp khảo sát đo đạc thực địa .................................................................... 32 2.2.4. Phƣơng pháp tính toán tính toán giảm phát thải khí CH4 trong hệ thống Biogas và quá trình sử dụng ...................................................................................................................... 32 2.2.5. Phƣơng pháp tính toán tính toán phát thải nền của hệ thống Biogas ...................... 33 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SẢN XUẤT KSH CỦA CÔNG TRÌNH, TÍNH LƢỢNG GIẢM PHÁT THẢI KNK CỦA CÔNG TRÌNH KSH QUY MÔ TRUNG BÌNH TẠI BẮC NINH. ..................................................... 34 3.1. Hiện trạng sản xuất và sử dụng Biogas ở 2 trang trại nghiên cứu .................................. 34 3.2. Phƣơng pháp đo đạc sản lƣợng khí ............................................................................. 35 3.3. Kết quả đo đạc .......................................................................................................... 37 3.4. Tính toán lƣợng giảm phát thải khí nhà kính ............................................................... 42 3.4.1. Tính toán lƣợng giảm phát thải khí nhà kính trang trại 1 ........................................ 42 3.4.2. Tính toán lƣợng giảm phát thải khí nhà kính trang trại 2 khi sử dụng khí sinh học làm nhiên liệu chạy máy phát điện: .......................................................................................... 44 3.4.3. Thảo luận về kết quả tính toán giảm phát thải của 2 trang trại ............................... 44 3.5. Những lợi ích xã hội và môi trƣờng từ mô hình đối với trang trại ................................. 45 3.5.1. Giảm phát thải các khí gây ô nhiễm tại khu vực xung quanh trang trại .................. 45 3.5.2. Khả năng tác động đến môi trƣờng đất và nƣớc...................................................... 45 3.5.3. Tỷ lệ chất thải đƣợc xử lý ........................................................................................ 46 3.5.4. Tác động xã hội ....................................................................................................... 47 3.5.5. Cung cấp năng lƣợng sạch ....................................................................................... 47 3.5.6. Góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng - cải thiện vệ sinh: ................................ 48 3.5.7. Cung cấp phân bón hữu cơ và thức ăn chăn nuôi .................................................... 48 3.5.8. Lợi ích khác ............................................................................................................. 49 3.6. Lợi ích kinh tế từ mô hình đối với 2 trang trại ............................................................. 49 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 50 4.1. Kết luận .................................................................................................................... 50 4.2. Kiến nghị .................................................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 52 vi BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Chữ cái Giải nghĩa ASEAN Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á BĐKH Biến đổi khí hậu Biodiesel Diesel sinh học Biogas Khí sinh học CDM Cơ chế phát triển sạch CH4 Khí Metan EEP Chƣơng trình Năng lƣợng và Môi trƣờng cho các nƣớc tiểu vùng sông Mê Công EPA Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ (United States Environmental Protection Agency) Ethanol Cồn sinh học GDP Tổng sản phẩm nội địa GECI Công ty TNHH Tƣ vấn và Đầu tƣ Năng lƣợng Toàn cầu GRDP Tổng sản phẩm trên địa bàn H2 S Hiđro sunfua HDPE Vật liệu đƣợc dùng sản xuất vật dụng bằng nhựa, túi ni lon IPCC Ủy ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu KNK Khí nhà kính KSH Khí sinh học KT1, KT2 Mẫu hầm Biogas của Viện Năng lƣợng LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) NOAA Cục Hải dƣơng và Khí quyển Quốc gia Mỹ ppm Đơn vị đo mật độ (một phần triệu - Part Per Million) SEI Viện Môi trƣờng Stockhom, Thuỵ Điển SNV Tổ chức Phát triển Hà Lan TNHH Trách nhiệm hữu hạn TP Thành phố USD Đồng tiền của Mỹ vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1- Khối lƣợng chất thải hàng ngày của động vật ................................................5 Bảng 1.2- Đặc tính và sản lƣợng khí của một số nguyên liệu thƣờng gặp......................6 Bảng 1.3- Thành phần của khí sinh học ..........................................................................6 Bảng 1.4- Nồng độ của H2S ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời ...................................8 Bảng 1.5- Thời gian lƣu đối với phân động vật .........................................................12 Bảng 1.6- Dự báo phát thải KNK theo ngành đến năm 2030 ở Việt Nam....................21 Bảng 3.1- Thông số trang trại và hệ thống Biogas ........................................................34 Bảng 3.2- Thông số trang trại và hệ thống Biogas ........................................................35 Bảng 3.3- Kết quả đo sản lƣợng KSH trang trại 1 đợt 1 ...............................................37 Bảng 3.4- Kết quả đo sản lƣợng KSH trang trại 2 đợt 1 ...............................................38 Bảng 3.5- Kết quả đo sản lƣợng KSH trang trại 1 đợt 2 ...............................................38 Bảng 3.6- Kết quả đo sản lƣợng KSH trang trại 2 đợt 2 ...............................................39 Bảng 3.7: Sản lƣợng khí của 2 trang trại ......................................................................41 Bảng 3.8- So sánh chất đốt khí sinh học với LPG.........................................................43 Bảng 3.9- Lƣợng giảm phát thải của 2 trang trại...........................................................44 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1-1- Quá trình lên men tạo khí sinh học ................................................................4 Hình 1-2- Thành phần của khí sinh học .........................................................................7 Hình 1-3- Hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính [26]..............................................................13 Hình 1-4- Biến đổi của nồng độ CO2 trong khí quyển .................................................15 Hình 1-5- Biến đổi của nhiệt độ trái đất giai đoạn 1884 – 2012 [17] ..........................16 Hình 1-6- Một số tác động của biến đổi khí hậu ..........................................................17 Hình 1-7- Dữ liệu cơ sở của việc quản lý phân chuồng - Dự án CDM [20] ................19 Hình 1-8- Các con đƣờng giảm phát thải KNK của công trình KSH...........................20 Hình 1-9 Công trình KSH phủ bạt HDPE ....................................................................24 Hình 1-10- Công trình Khí sinh học quy mô trung bình hình ống ...............................25 Hình 2-1- Cấ u ta ̣o của thiết bị khí sinh ho ̣c dạng ống ..................................................31 Hình 3-1 - Sơ đồ lắp đặt đồng hồ trong hệ thống Biogas .............................................35 Hình 3-2- Hệ thống Biogas khi lắp đồng hồ đo khí .....................................................36 Hình 3-3- Đầu đốt khí thừa của hệ thống Biogas .........................................................36 Hình 3-4- Biểu đồ đo đợt 1 sản lƣợng khí hàng ngày Trang trại 1 ...............................40 Hình 3-5- Biểu đồ đo đợt 2 sản lƣợng khí hàng ngày Trang trại 1 ..............................40 Hình 3-6- Biểu đồ đo đợt 1 sản lƣợng khí hàng ngày Trang trại 2 ..............................41 Hình 3-7- Biểu đồ đo đợt 2 sản lƣợng khí hàng ngày Trang trại 2 ..............................41 ix GIỚI THIỆU CHUNG 1. Sự cần thiết của nghiên cứu Biến đổi khí hậu đang là mối đe doạ môi trƣờng lớn nhất đối với toàn nhân loại. Ở Việt Nam, những năm gần đây, thiên tai và các hiện tƣợng khí hậu cực đoan nhƣ bão, lũ, lốc, tố, lụt, triều cƣờng, hạn hán… dƣờng nhƣ xảy ra với tính chất dị thƣờng hơn, gây nhiều thiệt hại cho sản xuất, đời sống ở những vùng bị ảnh hƣởng và việc dự báo, phòng tránh trở nên khó khăn hơn. Biến đổi khí hậu làm tăng tần xuất và cƣờng độ các hiện tƣợng khí hậu, thời tiết cực đoan, nhƣ nắng nóng, gió mạnh trong bão và tố, lốc, mƣa lớn, ngập lụt, sạt lở đất, giông, sét, … và làm tăng điều kiện nóng ấm vốn có của khí hậu nhiệt đới gió mùa, tác động đến độ bền của vật liệu xây dựng và các công trình xây dựng. Trong chƣơng trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu: Phát triển khí sinh học đƣợc coi là có vai trò góp phần giảm nhẹ sự biến đổi khí hậu thuộc lĩnh vực nông nghiệp. Cụ thể là: “Phát triển chăn nuôi, gắn chặt với phát triển nông nghiệp, công nghiệp chế biến thúc ăn gia súc, đồng thời xử lý phân thải của gia súc (dạng khí sinh học)”. Nội dung này nằm trong mục “Xây dựng các kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu” của “Chƣơng trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu” đƣợc Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng ban hành vào tháng 7/2008. [1] Công trình KSH không những góp phần cải thiện tốt môi trƣờng nông thôn mà còn góp phần giảm gánh nặng xử lý chất thải nông nghiệp và chất thải đô thị. Qua đó, giảm phát thải khí nhà kính vì thành phần của khí sinh học sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ từ chất thải chủ yếu là metan (CH4), đây là một loại khí nhà kính có hệ số phát thải gấp 21 lần so với khí CO2. Ngoài ra sử dụng KSH nhƣ một loại nhiên liệu thay thế các nhiên liệu khác đã góp phần tiết kiệm năng lƣợng trong sử dụng, đồng thời cũng tiết kiệm đƣợc sử dụng phân hóa ho ̣c do sử dụng phân hữu cơ từ các công trình KSH, nhƣ vậy cũng góp phần giảm phát thải KNK. Hơn 4 thập kỷ qua công nghệ KSH đã rất phát triển ở Việt Nam, đặc biệt khi bƣớc vào thế kỷ 21 với một chƣơng trình KSH tầm cỡ quốc gia do ngành nông nghiệp quản lý cùng với sự tài trợ của Tổ chức Hợp tác Phát triển Hà Lan, đến nay hơn nửa triệu công trình các loại đã đƣợc xây dựng trên toàn quốc [3]. Nhu cầu xây dựng các bể khí sinh học ngày càng nhiều nhƣng nguồn hỗ trợ về tài chính của các tổ chức nhà 1 nƣớc và phi chính phủ lại có hạn nên đã hạn chế phần nào sự phát triển của ngành khí sinh học ở Việt Nam. Các nghiên cứu lâu nay tập trung chủ yếu vào công trình khí sinh học quy mô nhỏ và giải quyết tất cả vấn đề ứng dụng nguồn năng lƣợng khí sinh học cũng ở quy mô này [9]. Định hƣớng phát triển chăn nuôi hiện nay tập trung vào phát triển chăn nuôi ở quy mô trang trại với số lƣợng gia súc từ 100 đầu lợn trở lên đã đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho nông dân. Lƣợng chất thải thải chăn nuôi với khối lƣợng ngày càng lớn và tập trung vì thế công nghệ khí sinh học ở quy mô này đòi hỏi phải đƣợc nghiên cứu hoàn thiện đáp ứng nhu cầu về nguồn thải, khối lƣợng thải và đảm bảo các tiêu chuẩn cho phát triển bền vững. Với các lý do nêu trên, đề tài đƣợc chọn để nghiên cứu có tên: Hiệu quả sản xuất khí Biogas của công trình KSH quy mô trung bình ở trang trại chăn nuôi lợn tại Bắc Ninh góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Nhằm đánh giá hiệu quả sản xuất khí sinh học, khả năng giảm phát thải khí nhà kính của kiểu công trình khí sinh học quy mô trung bình hình ống, là một ứng dụng công nghệ khí sinh học mới đƣợc triển khai ở Việt Nam từ năm 2012. Đề tài nghiên cứu trên 2 trang trại chăn nuôi lợn của bà Trịnh Thị Mý – Xã Phù Lƣơng và ông Nguyễn Văn Quang – xã Châu Cầu, huyện Quế Võ tỉnh Bắc Ninh sử dụng công nghệ KSH quy mô trung bình kiểu hình ống. 2. Mục tiêu của nghiên cứu Theo các lý do chọn đề tài nghiên cứu đã nêu ở trên, mục tiêu của đề tài đó là: - Đánh giá hiệu quả sản xuất và sử dụng khí Biogas của công trình KSH quy mô trung bình ở trang trại chăn nuôi lợn tại Bắc Ninh. - Tính lượng giảm phát thải khí CH4 của công trình KSH qui mô trung bình khi dùng để phát điện và đun nấu, góp phần giảm phát thải khí nhà kính. 3. Kết quả và những đóng góp của nghiên cứu - Đề tài đã cung cấp những thông tin cần thiết, hữu dụng cho những nhà quản lý, các chuyên gia về khí sinh học và ngƣời dân, các chủ trang trại thấy đƣợc hiệu quả sản xuất khí của công trình khí sinh học quy mô trung bình. - Lần đầu tiên xác định đƣợc hiệu quả giảm phát thải khí nhà kính của công trình KSH qui mô trung bình ở nƣớc ta. 2 4. Bố cục của đề tài Bên cạnh những phần bắt buộc (mở đầu, bảng, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo), nội dung đề tài đƣợc chia làm 3 chƣơng nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan về Khí sinh học, cơ chế giảm phát thải KNK của công nghệ KSH Tổng hợp kiến thức liên quan đến phát triển khí sinh học, các quy mô của công trình KSH, ảnh hƣởng của công trình khí sinh học đến giảm phát thải khí nhà kính. Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Nêu thông tin về 2 trang trại nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu, tính toán lƣợng giảm phát thải khí nhà kính. Chương 3: Kết quả nghiên cứu của luận văn - Đánh giá hiệu quả sản xuất KSH của công trình góp phần giảm phát thải khí nhà kính của 2 trang trại nghiên cứu Giới thiệu về hệ thống Biogas của 2 trang trại nghiên cứu, phân tích đánh giá sự giảm phát thải trong hoạt động của hệ thống Biogas của 2 trang trại. Từ đó tính toán lƣợng giảm phát thải của 2 công trình KSH quy mô trung bình kiểu hình ống. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KHÍ SINH HỌC, CƠ CHẾ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ LĨNH VỰC KHÍ SINH HỌC 1.1. Nghiên cứu tổng quan về khí sinh học 1.1.1. Khí sinh học được sản sinh ra như thế nào? Khí sinh học đƣợc sinh ra từ quá trình phân giải của các chất hữu cơ dƣới tác dụng của các vi sinh vật trong môi trƣờng yếm khí. Vi khuẩn sinh metan tham gia vào khâu cuối cùng trong chuỗi phân huỷ của hợp chất hữu cơ để tạo ra khí sinh học. Khí sinh học đƣợc coi nhƣ một nguồn năng lƣợng tái tạo. Hình 1-1- Quá trình lên men tạo khí sinh học Quá trình phân hủy của các chất hữu cơ trong môi trƣờng kỵ khí gồm ba giai đoạn chính là: giai đoạn thủy phân, giai đoạn sinh axit và giai đoạn sinh metan với sự tham gia của rất nhiều vi khuẩn. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy là một hỗn hợp khí gọi là khí sinh học trong đó thành phần chủ yếu là mê tan (CH4) chiếm khoảng 60-70%, dioxit cacbon (CO2) 30-40%, hydro (H2) và các loại khí khác có tỷ lệ 4 không đáng kể. Các bƣớc của quá trình lên men đƣợc thể hiện chi tiết nhƣ sơ đồ Hình 1-1. Tuy nhiên sản lƣợng khí sinh học của quá trình phân huỷ kỵ khí chịu tác động của rất nhiều yếu tố nhƣ: môi trƣờng kỵ khí (thiết bị phải kín khí), nhiệt độ dịch phân giải, độ pH… Vi khuẩn sinh metan sẽ ngừng hoạt động nếu nhiệt độ dịch phân giải ở mức dƣới 100C. Độ pH của môi trƣờng lên men sẽ thuận tiện cho vi khuẩn hoạt động từ 6,5 – 8,5. Hàm lƣợng chất khô trong cơ chất nạp nằm trong dải 5-12%, tỷ lệ C/N của nguyên liệu nạp tốt nhất là 30/1 [21], thời gian lƣu của nguyên liệu trong bể phân giải tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên của môi trƣờng, đối với khu vực miền Bắc có mùa đông lạnh từ 40-45 ngày, còn miền Nam thời tiết nóng quanh năm nên thời gian lƣu vào khoảng 30-35 ngày [4]. Các độc tố nhƣ nƣớc xà phòng, nƣớc tẩy rửa, nƣớc sát trùng, phân động vật có tiêm kháng sinh, các hoá chất khác và các loại khó phân hủy và gây lắng cặn nhƣ cành cây, gỗ, sỏi đá…tuyệt đối không đƣợc cho vào bể phân giải [21]. Nguyên liệu sử dụng để lên men tạo khí sinh học có thể là phân gia súc, gia cầm, phân bắc hoặc các loại chất thải hữu cơ khác. Nhƣng thông dụng nhất ở nông thôn Việt Nam hiện nay vẫn là các loại phân động vật. Khối lƣợng chất thải của động vật phụ thuộc vào trọng lƣợng cơ thể và chế độ dinh dƣỡng của động vật đó. Khối lƣợng này đƣợc tính toán nhƣ trong Bảng 1.1. Bảng 1.1- Khối lƣợng chất thải hàng ngày của động vật Trọng lƣợng cơ thể (trung bình) Lƣợng chất thải theo % trọng lƣợng cơ thể Lƣợng phân tƣơi (kg) Phân và nƣớc tiểu (kg/ngày) Bò thịt 400 6 24 Bò sữa 500 6 30 Trâu 300 6 18 Lợn 90 5 4,5 Gà 2,0 4,5 0,09 Loại vật nuôi Nguồn: [21] 5 Thông thƣờng các loại phân có thời gian phân hủy không dài, sản lƣợng khí của các loại phân khác nhau thì khác nhau, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Sản lƣợng thực tế của các loại nguyên liệu này nhƣ Bảng 1.2 dƣới đây: Bảng 1.2- Đặc tính và sản lƣợng khí của một số nguyên liệu thƣờng gặp Loại nguyên liệu Hàm Tỷ lệ Lƣợng thải hàng ngày lƣợng chất Cacbon/Nitơ (kg/đầu động vật) khô (%) (C/N) Sản lƣợng khí hàng ngày (lít/kg nguyên liệu tƣơi) Bò 15-20 10 24-25 15-32 Trâu 18-25 10 24-25 15-32 Lợn 1,2-4,0 10,5 12-13 40-60 Gia cầm 0,02-0,05 27 5-15 50-60 Nguồn: [21] 1.1.2. Thành phần của khí sinh học Khí sinh học là một hỗn hợp của nhiều chất khí. Tỷ lệ phần trăm của các loại khí trong khí sinh học tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu tham gia vào quá trình phân hủy và các điều kiện trong quá trình đó nhƣ nhiệt độ, độ pH, hàm lƣợng nƣớc... Nó cũng tùy thuộc cả vào các giai đoạn phân hủy. Bảng 1.3 và biểu đồ hình 1.2 cho ta thấy thành phần của khí sinh học. Bảng 1.3- Thành phần của khí sinh học Loại khí Tỷ lệ (%) Metan - CH4 50 – 70 Cacbonic - CO2 30 – 45 Nitơ - N2 0–3 Hiđro - H2 0–3 Oxi - O2 0–3 Hiđro Sunfua - H2S 0–3 6 3% 37% 60% Mªtan Cacbonic KhÝ t¹p Nguồn: [21] Hình 1-2- Thành phần của khí sinh học 1.1.2.1. Metan Metan (CH4) là thành phần chủ yếu của khí sinh học. Metan không mầu, không mùi, chỉ nhẹ bằng nửa không khí, ít hoà tan trong nƣớc, hoá lỏng ở nhiệt độ – 161,50C trong điều kiện áp suất khí quyển. Do vậy việc hoá lỏng metan phải tiêu tốn nhiều năng lƣợng vì thế ngƣời ta không hoá lỏng metan cũng nhƣ không hoá lỏng KSH và khí thiên nhiên. Khi đốt cháy metan có ngọn lửa màu lơ nhạt và phản ứng sinh nhiệt: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJ Nhiệt trị (nhiệt lƣợng toả ra khi cháy hoàn toàn một đơn vị khối lƣợng nhiên liệu) của metan là 35.906 kJ/m3 = 8.576 kcal/m3. 1.1.2.2. Khí dioxit cacbon (CO2) Thành phần chủ yếu thứ hai của KSH là khí dioxit cacbon hay cacbonic (CO2). Cacbonic không màu, không mùi, không cháy đƣợc, không duy trì sự sống và nặng gấp rƣỡi không khí. Tỷ lệ cacbonic cao sẽ làm giảm chất lƣợng của KSH. Thông thƣờng trong những ngày mới vận hành thành phần cacbonic trong KSH cao hơn metan do đó bếp không cháy đƣợc và ngƣời ta thƣờng phải xả hết khí này cho đến khi thành phần metan trong KSH ổn định. 7 CO2 hoà tan trong nƣớc tạo ra axit cacbonic. Dƣới điều kiện áp suất thấp và lạnh dƣới 00C khí CO2 hoà tan rất mạnh trong nƣớc, chính vì thế ngƣời ta dựa vào tính chất này để tạo gas trong sản xuất nƣớc giải khát có gas. 1.1.2.3. Khí hiđro sunfua Ngoài các thành phần khí chính nêu trên trong KSH còn có một hàm lƣợng nhỏ các loại khí khác, trong đó có khí hiđro sunfua (H2S). Hydro sunfua là một loại khí không mầu, có mùi hôi nhƣ mùi "trứng thối", khiến cho KSH cũng có mùi hôi và giúp ta dễ nhận biết đƣợc KSH nhờ khứu giác. Nồng độ H2S trong KSH sản xuất từ phân bắc và phân gia cầm thƣờng cao hơn từ các loại nguyên liệu khác nên ở các công trình nạp nhiều phân bắc hoặc phân gia cầm khí thƣờng có mùi rất khó chịu. Tuy nhiên khí H2S là chất khử và cũng là khí cháy đƣợc nên khi đốt thì KSH sẽ hết mùi hôi. Hiđro sunfua rất độc. Nếu ngửi nhiều H2S sẽ đau đầu, buồn nôn, không phân biệt đƣợc các mùi khác nhau. Mức độ ảnh hƣởng của H2S đến sức khỏe con ngƣời tùy thuộc vào nồng độ của nó có trong không khí nhƣ bảng 1.4. Bảng 1.4- Nồng độ của H2S ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời Nồng độ của H2S trong không khí (ppm) Mức độ ảnh hƣởng 0,03 – 0,15 Có mùi trứng thối 15-75 Kích thích hô hấp, gây buồn nôn, đau đầu 100-330 Liệt khứu giác không phân biệt đƣợc mùi khác nhau >375 Nhiễm độc và chết (Sau vài giờ) >750 Chết sau 30-40 phút do ngạt và bất tỉnh >1000 Chết nhanh chóng do suy hô hấp Nguồn: [21] Phản ứng cháy của H2S khi có mặt oxi và nhiệt độ nhƣ phƣơng trình sau: H2 S + O 2 t0 SO2 + H2O Quá trình cháy có phát nhiệt nhƣng không đáng kể. Đặc biệt khi cháy sinh ra khí SO2 cũng là một khí độc. H2S khi hoà tan trong nƣớc sẽ tạo thành axit ăn mòn các bộ phận kim loại nhƣ bếp KSH, xoong nồi hay phá hủy máy phát điện chạy bằng KSH. Vì vậy ngƣời ta phải 8 lọc sạch các thành phần khí tạp này trƣớc khi sử dụng để đảm bảo tuổi thọ cho các loại máy móc và thiết bị sử dụng khí. 1.1.3. Tính chất của KSH KSH là luôn bão hòa hơi nƣớc do nƣớc bay hơi từ dịch phân hủy. Hơi nƣớc này khi gặp nhiệt độ thấp sẽ ngƣng tụ trong đƣờng ống và làm tắc ống dẫn khí vì thế cần đƣợc tháo bỏ đi. Vì thành phần của KSH thay đổi nên các tính chất của nó cũng thay đổi theo. Tỷ lệ phổ biến của metan là 60%.  Khối lượng riêng Khối lƣợng riêng của chất khí là khối lƣợng của một đơn vị thể tích khí trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, 00C và 1 atm = 760 mm Hg. Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 có khối lƣợng riêng là 1,2196 kg/m3  Tỷ trọng đối với không khí Tỷ trọng đối với không khí của một chất khí là tỷ số giữa khối lƣợng riêng của khí đó với khối lƣợng riêng của không khí ở cùng một nhiệt độ và áp suất. Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 có tỷ trọng là 0,94. Nhƣ vậy khí sinh học nhẹ hơn không khí một chút.  Nhiệt trị Nhiệt trị của một chất khí là nhiệt lƣợng do một đơn vị thể tích của chất khí đó khi cháy tỏa ra. Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 có nhiệt trị là: 8576 kcal/m3 x 0,6 = 5146 kcal/m3 Ta có thể làm tròn thông số nhiệt trị của KSH là 5200 kcal/m3. 1.1.4. KSH Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của công trình Quá trình phân hủy trong bể biogas chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố, những yếu tố này có thể hình thành từ khi xây dựng hệ thống và vận hành hệ thống. a. Môi trường yếm khí 9 Quá trình lên men có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh metan là quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện yếm khí tuyệt đối của môi trƣờng lên men. b. Nhiệt độ Nhiệt độ làm thay đổi đến quá trình sinh gas vì nhóm vi khuẩn yếm khí rất nhạy cảm bởi nhiệt độ. Dựa vào nhiệt độ môi trƣờng trong bể KSH ngƣời ta chia thành 3 nhóm vi sinh vật “ƣa lạnh” (psychrophilic) 10-200C, “ƣa ấm” (mesophilic) 20-400C và “ƣa nhiệt” (thermophilic) 40-600C. Trong điều kiện bể KSH không có hệ thống cung cấp nhiệt, mà hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng, trong điều kiện nhiệt đới ở nƣớc ta ở nhiệt độ 31 0C-400C nhóm vi sinh vật phân giải chất hữu cơ và lên men tạo KSH sẽ hoạt động có hiệu quả cao; ngƣợc lại khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 100C nhóm vi khuẩn này sẽ hoạt động yếu, thậm chí chúng bị ức chế hoàn toàn [21]. c. Ẩm độ Ẩm độ thích hợp nhất cho hoạt động của vi sinh vật là 91,5 – 96% khi ẩm độ cao hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lƣợng tạo KSH ít. d. Hàm lượng vật chất khô trong phân hữu cơ (TS%) Hàm lƣợng này tùy thuộc vào loại phân khác nhau, ở lợn TS là 10,5%, phân gà TS là 27% Hàm lƣợng vật chất khô trong dịch phân giải dƣới 9% (của bể KSH có thiết bị khuấy đảo) thì hoạt động của hầm ủ sẽ tốt, hàm lƣợng chất khô thích hợp (trong các loại bể KSH không có hệ thống gia nhiệt và khuấy đảo) là 4-7% [21]. Với các loại phân gia súc cần hòa vào nƣớc tạo thành hỗn hợp loãng, với phân gà (do có hàm lƣợng nitơ cao) cần trộn thêm phân trâu bò để tạo ra tỷ lệ C/N thích hợp. Thông thƣờng ngƣời ta thƣờng trộn 2 loại phân này theo tỷ lệ 1:1 là thích hợp. e. Độ pH Trong quá trình lên men yếm khí độ pH môi trƣờng thƣờng trung tính, đầu vào thƣờng từ 6,8-7,2 và đầu ra từ 7,0 -7,5. Các hầm sinh học cần duy trì độ pH trong khoảng từ 7-8, đây là pH tối ƣu cho các loại vi khuẩn hoạt động. Điều chỉnh pH bằng cách giảm tốc độ bổ sung nguyên liệu. Tuyệt đối không đƣợc cho nƣớc 10 xà phòng hoặc hóa chất có tính kiềm vào hầm vì nó sẽ làm chết các vi khuẩn sinh khí. f. Thời gian ủ và số lượng vi khuẩn sinh khí metan Bảy ngày đầu sau khi nạp nguyên liệu, lƣợng khí trong hầm đã có nhƣng ít, sản lƣợng khí cao nhất là 40-45 ngày sau khi nạp nguyên liệu. Tuy nhiên còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng, nếu nhiệt độ môi trƣờng đạt ở 30-350C, sản lƣợng khí sinh học lúc này có thể đạt 0,3m3/ngày. Nếu trong quá trình ủ vi sinh vật không phát triển thì cần phải kiểm tra lại nguyên liệu, hoặc bổ sung vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên. g. Tỉ lệ Cacbon/Nitơ (C/N) C và N là nguồn dinh dƣỡng chủ yếu của vi khuẩn sinh metan. Bởi vậy thành phần chính của nguyên liệu để sản xuất khí metan là C và N. Cacbon ở dạng carbonhydrate (C tạo năng lƣợng), Nitơ ở dạng Nitrate, Protein, Amoniac (N tham gia cấu trúc tế bào). Tốc độ tiêu thụ C nhanh hơn N khoảng 25-30 lần, do đó để quá trình phân giải kỵ khí tốt nhất khi nguyên liệu có tỉ lệ C/N là 25:1 đến 30:1. Hàm lƣợng C trong rơm rạ quá lớn, N lại ít do đó dẫn đến tình trạng thừa C làm giảm khả năng phân giải kỵ khí. Có thể trộn lẫn rơm rạ băm nhỏ với phân ngƣời, hoặc phân gia cầm để đảm bảo cân bằng tỉ lệ C/N. h. Thời gian lưu Quá trình phân hủy của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. Đối với phân gia súc thời gian phân hủy hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng. Đối với nguyên liệu thực vật thời gian phân hủy hoàn toàn có thể kéo dài hàng năm. Tuy nhiên tốc độ sinh khí cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí giảm. Thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị là thời gian sản sinh khí sinh học. Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu đƣợc bổ sung hàng ngày. Khi nguyên liệu mới vào nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ về phía lối ra. Thời gian lƣu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua hệ thống từ lối vào đến lối ra. Thời gian này đƣợc tính bằng thể tích phân hủy và thể tích nguyên liệu nạp bổ sung hàng ngày. Thí dụ để phân lợn phân hủy hết phải mất trên 60 ngày. Nếu mỗi ngày nạp 10 kg phân (thể tích gần bằng 10 lít) pha với 10 lít nƣớc thì ta có bể chứa dung tích: 11