TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI CHĂN NUÔI THÀNH KHÍ BIOGAS

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TIỂU LUẬN MÔN HỌC Tái sử dụng chất thải ĐỀ TÀI TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI CHĂN NUÔI THÀNH KHÍ BIOGAS MỤC LỤC 1MỞ ĐẦU 2CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIGAS VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BIOGAS TỪ NGUYÊN LIỆU CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 21 1 Tìm hiểu chung về Biogas 21 1 1 Biogas là gì? 21 2 Cơ sở khoa học của công nghệ Biogas 21 2 1 Nhóm.

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Tái sử dụng chất thải

ĐỀ TÀI: TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI CHĂN NUÔI THÀNH KHÍ

BIOGAS

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Hoài Nam

Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phan

Mã học viên 201800011

Hà Nội, 2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIGAS VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BIOGAS TỪ NGUYÊN LIỆU CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 1

1.1 Tìm hiểu chung về Biogas 1

1.1.1 Biogas là gì? 1

1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ Biogas 1

1.2.1 Nhóm vi sinh vật Biogas 1

1.2.2 Cơ chế hình thành khí sinh học Biogas 2

1.3 Nguyên liệu sản xuất biogas và cách xử lý nguyên liệu 3

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể Biogas 4

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH BỂ BIOGAS 6

2.1 Cấu tạo 6

2.2 Phân loại 7

2.3 Công thức tính toán 13

2.4 Quy trình vận hành của hầm ủ biogas 14

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VIỆC TÁI CHẾ CHẤT THẢI THÀNH KHÍ BIOGAS TRONG THỰC TIỄN 15

3.1 Ứng dụng của việc tái chế chất thải thành khí Biogas trong thực tiễn 15

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 17

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, nhiều mô hình chăn nuôi lợn được triển khai trên cả nước đã đem lại nguồn thu nhập tốt, đóng góp vào sự phát triển kinh tế, cải thiện đời sống cho nhân dân địa phương Tuy nhiên, các mô hình chăn nuôi đã và đang để lại những hệ lụy nghiêm trọng, báo động về sự ô nhiễm môi trường

từ nguồn chất thải chăn nuôi

Theo Cục chăn nuôi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), mỗi năm, ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định, không được tái sử dụng sẽ làm ô nhiễm trầm trọng môi trường và tốn kém chi phí nếu phải xử lý mà không tận dụng

Việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học đang là một giải pháp chủ yếu để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả ở các vùng nông thôn Nhu cầu sử dụng công nghệ biogas cho các hộ gia đình nông dân là rất cao, đặc biệt là đối với các hộ chăn nuôi trâu, bò, lợn với quy mô hộ gia đình như nước ta hiện nay Để làm rõ hơn về giải pháp trên, em chọn

đề tài tiểu luận “Tái sử dụng chất thải chăn nuôi thành khí

biogas” cho môn học này.

1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIGAS VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH BIOGAS TỪ NGUYÊN LIỆU CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 1.1 Tìm hiểu chung về Biogas

1.1.1 Biogas là gì?

-Khái niệm: Biogas là viết tắt của biological gas là hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ dưới tác động của

vi sinh vật trong môi trường yếm khí

Thành phần chính của khí sinh học Biogas là hỗn hợp khí Methane (CH4 – 50,60%), CO2 ( > 30%) và một số chất khác được phát sinh từ sự phân hủy hợp chất hữu cơ như hơi nước, N2, O2, H2S, CO

Khí sinh học Biogas thường được sản xuất bằng cách ủ kín các chất hữu cơ trong chăn nuôi, rác thải sinh hoạt Biogas có khả năng bắt lửa cao, chất dễ cháy trong khí Biogas là CH4 (có nhiệt trị là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3) nên có thể sử dụng làm nguồn khí đốt phục vụ vho nhu cầu nấu nướng và chuyển hóa thành điện năng

1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ Biogas

1.2.1 Nhóm vi sinh vật Biogas

-Nhóm vi khuẩn không sinh Metan

+Nhóm vi khuẩn lên men: thủy phân các chất hữu cơ phức tạp, không tan thành các chất hữu cơ đơn giản và tan được

+Nhóm vi khuẩn sinh axetat và hydro: phân hủy tiếp các chất sinh ra trong giai đoạn đầu như axit propionic và các axit

dễ bay hơi, axit hữu cơ đa vòng thơm và alcohol…(những chất này không thể được sử dụng trực tiếp bởi các vi khuẩn sinh metane) thành axit axetic, CO2, H2 ,

-Nhóm vi khuẩn sinh mêtan: chuyển hóa các axit axetic, CO2, H2, axit formic, được sinh ra từ giai đoạn thứ nhất và thứ

hai thành CH4 và CO2 Nhóm vi khuẩn này là nhóm vi khuẩn kỵ

khí nghiêm ngặt, rất nhạy cảm với oxy và các chất oxy hóa

Mối quan hệ giữa các nhóm vi khuẩn : chúng tạo nhiên liệu, điều kiện và môi trường thuận lợi cho nhau cùng phát

triển

1.2.2 Cơ chế hình thành khí sinh học Biogas

- Khí Biogas được hình thành qua nhiều quá trình phản ứng, phân hủy các chất thải hữu cơ chủ yếu là phân và nước

thải của gia súc

- Dưới tác động của vi sinh yếm khí được chuyển hóa, sau nhiều phản ứng hóa học khác nhau chủ yếu là hydro, oxy,

carbon mới có thể chuyển biến thành metan và khí cacbonic

- Nguyên lý hoạt động: Các chất thải hữu cơ, chất thải chăn nuôi trở thành nguyên liệu được đưa vào hầm biogas kín

khí Các chất này phân hủy và lên men dưới tác động của vi

sinh vật yếm khí Một phần nhỏ các nguyên tố khác như Nitơ,

phốt pho, được thất thoát qua quá trình phân hủy từ hầm

biogas Với lượng khí thu được này, hoàn toàn có thể được sử

dụng trong hoạt động sinh hoạt hằng ngày của gia đình, đun

nấu hằng ngày và vô cùng an toàn cho người sử dụng cũng như

đối với môi trường

- Các giai đoạn của quá trình hình thành Biogas + Giai đoạn I ( thủy phân )

+ Giai đoạn II ( sinh axit) + Giai đoạn III ( sinh mêtan)

2

Chất hữu cơ,

carbohdrates,

chất béo,

protein

Khối vi khuẩn

H

2 , CO

2

Acid acetic

Acid propionic, Acid butyric, các rượu khác và các thành phần khác

Khối vi khuẩn

H2, CO2 Acid acetic

Khối vi khuẩn

CH

4 , CO

2

Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 1

Hình 1 Các giai đoạn của quá trình tạo khí sinh học 1.3 Nguyên liệu sản xuất biogas và cách xử lý nguyên liệu

- Nguyên liệu đưa vào sản xuất cần:

+ Giàu cellulose

+ Ít Ligin

+ NH4+ ban đầu khoảng 2000mg/l

+ Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30

+ Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước

- Nguồn nguyên liệu chính là:

+Phân hữu cơ nguồn gốc từ chuồng nuôi (bò, lợn, gà)

+Rác thải hữu cơ, rác thải sinh hoạt dễ phân hủy

+Ngoài ra có thể sử dụng bèo Lục Bình,…

Bảng 1 Khả năng cho phân và thành phần hoá học của

phân gia súc, gia cầm

Vật

nuôi

Khả năng cho phân hàng ngày

của 500kg v.nuôi

Thành phần hoá học ( % khối lượng phân tươi )

Thể tích : Trọnglượng tan dễChất Nitơ Photpho Carbon /Tỷ lệ

m 3 tươi (kg) tiêu Nitơ

Bò sữa

Bò thịt

Lợn

Trâu

Gia

cầm

0,038

0,038

38,5 41,7 28,4 6,78 31,3

7,98 9,33 7,02 10,2 16,8

0,38 0,70 0,83 0,31 1,20

0,10 0,20 0,47 1,20

20-25 20-25 20-25 7-15

- Xử lý nguyên liệu nạp vào Biogas

+ Nạp nguyên liệu lần đầu: Chuẩn bị 700 - 800kg phân tươi làm nguyên liệu ban đầu

+ Làm lỏng phân gia súc và chất thải chăn nuôi, cắt nhỏ rác thải như rau, cỏ ăn thừa của gia súc, một phần rơm rạ, thân cây ngô già, bèo tây, …

+ 15-20 ngày sau khi nạp nguyên liệu ban đầu, không nên nạp nguyên liệu bổ sung để giữ cho quá trình lên men đạt trạng thái ổn định

+ Sau thời gian nói trên, cần nạp nguyên liệu bổ sung và lấy phần bã đã phân huỷ đi Lượng bổ sung vào bằng lượng lấy

đi, không nên nạp quá nhiều hay quá ít

+ Nạp nguyên liệu thường xuyên hàng ngày chính là lượng phân từ chuồng trại và từ hố xí trực tiếp chảy thẳng vào hầm

+ Lượng nước cũng được bổ sung sao cho tỉ lệ giữa phân

và nước là 1 : 5 (nghĩa là 1 phân : 5 nước)

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể Biogas

- Môi trường yếm khí

- Nhiệt độ

- Ẩm độ

- Hàm lượng vật chất khô trong phân hữu cơ

- Độ pH và độ kiềm

4

- Thời gian ủ và lượng vi khuẩn sinh mêtan

- Tỷ lệ C/N

- Thời gian lưu

- Các độc tố gây trở ngại quá trình lên men

- Độ mặn

- Lượng nguyên liệu nạp

- Chất khoáng trong nguyên liệu nạp

- Khuấy trộn

- Một số yếu tố khác:

Bảng 2 Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và

thành phần của khí thu được

Nguyên liệu Sản lượng

khí m 3 /kg phân khô

Hàm lượng

CH 4 (%)

Thời gian lên men (ngày)

Phân bò

Phân g/c

Phân gà

Phân heo

Phân người

1,11 0,56 0,31 1,02 0,38

57 69 60 68

10 9 30 20 21

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH BỂ BIOGAS 2.1 Cấu tạo

Trong thực tế hầu hết các thiết bị khí sinh học được áp dụng ở những dạng thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung thường xuyên hàng ngày Các thiết bị này có 5 bộ phận như sau:

(1) Bộ phận phân huỷ: là nơi chứa nguyên liệu đảm bảo

những điều kiện thuận lợi cho quá trình phần huỷ kỵ khí sinh ra Đây là bộ phận chủ yếu của thiết bị

(2) Bộ phận chứa khí: khí sinh ra từ bộ phận phân huỷ

được thu và chứa ở đây Yêu cầu cơ bản của bộ phận chứa khí là phải kín khí

(3) Lối vào: Là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào bộ phận

phân huỷ

(4) Lối ra: Nguyên liệu sau khi phân huỷ được lấy ra qua

đây để nhường chổ cho nguyên liệu mới bổ sung vào

(5) Lối lấy khí: khí được trích từ bộ tích khí tới nơi sử

dụng qua lối lấy khí này

6

2.2 Phân loại

- Phân loại theo phần chứa khí gồm:

+ Hầm nắp nổi:

Hình 2 Hầm Biogas nắp nổi

Hầm biogas nắp nổi có xuất phát từ Ấn Độ, có ưu điểm cấu trúc gọn, chiếm ít diện tích xây dựng , nhưng nhược điểm giá thành cao hơn các loại hầm khác nên số lượng lắp đặt còn ít Ngoài ra thì hầm nắp nổi khá nặng nề, dễ bị rỉ sét nên do đó ít được khuyến khích vào sử dụng

Trước đó, các hộ dân chăn nuôi heo ở Ninh Thuận cũng đã

có lắp đặt qua hầm biogas nắp nổi này, thời gian đầu từ hầm biogas này bà con thu được khí gas sạch cho việc đun nấu, sưởi

ấm ,làm mát cho chuồng nuôi heo,ngoài ra chất thải của biogas còn dùng như là phân bòn cho cây trồng … nhưng thời gian sau thì lượng khí gas thu được càng ngày càng ít, qua việc kiểm tra thì biết được các hầm biogas có dấu hiệu của sự rỉ xét, do đó khí bị thất thoát khá nhiều

+ Hầm nắp cố định

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

• Loại hình cầu

8

Hình 3 Hầm Biogas nắp cố định

*Ưu điểm:

• Kết cấu dưới mặt đất, nhiệt độ ổn định, tiết kiệm diện tích

• Xây dựng tại chỗ với vật liệu có sẵn ở địa phương

• Bền, các bộ phận cố định, đòi hỏi ít bảo dưỡng

• Giá thành xây dựng hầm biogas này tương đối rẻ

* Nhược điểm:

• Áp suất khí thay đổi

• Chi phí cao ( ở 1 số nước, do vật liệu xây dựng hiếm, như xi-măng ở Châu Phi )

• Đòi hỏi kỹ thuật xây dựng cao

• Khí thẩm thấu qua vòm thường là vấn đề chính đáng

lo ngại của hầm sinh khí loại này

• Loại này thường dễ bị nứt sau một thời gian sử dụng nếu như xây không đạt yêu cầu

- Phân loại theo cách thức nạp nguyên liệu:

+ Nạp liên tục

Nguyên liệu được nạp đầy lúc mới đưa thiết bị vào hoạt động Sau một thời gian ngắn, nguyên liệu được bổ sungthường xuyên Khi đó một phần nguyên liệu được phân huỷ được lấy đi

để nhường chỗ cho phần nguyên liệu mới nạp vào Trong quá trình phân huỷ, chỉ một phần nguyên liệu được chuyển hoá thành KSH, phần còn lại được lấy ra cùng với nước pha loãng gọi là bã thải

+ Nạp theo mẻ

Toàn bộ nguyên liệu được nạp đầy vào các thiết bị một lần

Mẻ nguyên liệu này phân huỷ dần và cho khí sử dụng Sau một

thời gian đủ để nguyên liệu phân huỷ gần hết, toàn bộ nguyên liệu được lấy ra và thay bằng một mẻ nguyên liệu mới, thời gian mỗi mẻ thường kéo dài từ 3 – 5 tháng

- Phân loại theo cách xây dựng:

+ Hầm chế tạo sẵn: Sử dụng vật liệu nguyên khối composite, sử dụng tấm phủ HDPE

+ Hầm xây tại chỗ: Xây bằng gạch và xi măng

Một số loại hầm Biogas phổ biến

1) Hầm biogas phủ bạt HDPE

Loại hầm này sử dụng bạt HDPE được làm từ chất liệu màng chống thấm HDPE, được chiết suất từ dầu mỏ với tỉ lệ lên đến 97,5% Nó có đặc điểm chống ăn mòn cao, chịu được tia cực tím và tác động của môi trường thời tiết xấu Hầm biogas phủ bạt HDPE có những đặc điểm như:

– Chi phí thấp: Bản thân bạt HDPE là một loại bạt nhựa, có giá thành khá rẻ chi phí cho 1m3 của hầm có giá thành từ 100.000 VND đến 300.000 VND, thấp nhất trong số những loại hầm biogas iện tại trên thị trường

– Thi công nhanh chóng: Việc xây dựng loại hầm biogas này rất đơn giản, không cần đòi hỏi cần kỹ năng chuyên nghiệp, chỉ cần có đầy đủ thiết bị chuyên môn Việc xây dựng hầm có thể diễn ra trong thời gian nhanh chóng tùy theo dung tích chứa được ước tính

– Ít sự cố khi vận hành: Hầm biogas được xây dựng và vận hành đơn giản, vậy nên trong quá trình sử dụng, sự cố phát sinh từ việc trục trặc các bộ phận của hầm là ít xảy ra

10

Tuy nhiên có một hạn chế lớn nhất của hình thức này chính

là thời gian sử dụng không lâu dài, dễ bị hư hỏng do động vật cắn hay tác động từ yếu tố vật lý tới bề mặt HDPE

Hình 4 Hầm biogas phủ bạt HDPE

2) Hầm biogas nhựa composite

Hầm composite là một loại hầm mới, được làm từ chất liệu nhựa đặc biệt nên có khả năng chịu được tác động cơ học và áp lực cao, nhờ vậy mà có thể lắp đặt ở nhiều điều kiện đất khác nhau nhất là các tỉnh phía nam

Thiết kế hầm hình cầu kín nên có thể chứa đựng khí gas một cách tốt nhất, dễ dàng tháo dỡ, lắp đặt khi cần thiết Và không chịu tác động hóa học và môi trường nên có thể lắp đặc

ở vùng nhiễm mặn, không bị hư hỏng dưới tác động của mưa,

nắng,… Phù hợp với hộ chăn nuôi nhỏ lẻ cũng như số lượng vật nuôi ít

Hình 5 Hầm biogas nhựa composite

3) Hầm biogas xây bằng gạch

Hầm biogas làm từ gạch là loại hầm được xây dựng thuần túy, có dạng nón Đây là loại hầm cũ, được sử dụng khá phổ biến ở vùng nông thôn, tuy nhiên, hiện nay ít được lựa chọn sử dụng, vì mô hình này tồn tại rất nhiều khuyết điểm Các đặc điểm của nó như:

– Có tính linh hoạt: Việc làm hầm có dung tích lớn hay nhỏ hoàn toàn có thể điều chỉnh, bởi đây là loại hầm được xây dựng theo diện tích, quy mô và mong muốn của chủ sở hữu

– Chi phí thấp: Việc xây dựng hầm biogas bằng gạch không cần quá nhiều kỹ thuật, hoàn toàn có thể tự xây dựng

Nhưng nó có các khuyết điểm như:

– Hầm dễ bị rạn nứt, lún, không chịu được tác động của môi trường

12

– Lượng khí tạo ra thấp

– Không tự vệ sinh

– Không có khả năng điều tiết ga

– Độ an toàn kém

Hình 6 Hầm biogas nhựa composite 2.3 Công thức tính toán

Công thức để tính thể tích hầm Biogas cho các trang trại nuôi heo

V= Vck + 6nLT

Trong đó: Vck = h1S (S: diện tích tấm đáy của hầm phân hủy, h1: khoảng cách giữa mặt dưới đỉnh tới bề mặt của bùn lỏng trong hầm phân hủy (m))

n là lượng heo nuôi thường xuyên trong gia đình (con)

L là lượng chất thải bình quân mỗi ngày từ 1 con heo (lit/con.ngày)

T là thời gian lưu (ngày)

2.4 Quy trình vận hành của hầm ủ biogas

- Nạp nguyên liệu thường xuyên hàng ngày

- Khuấy đảo dich phân huỷ

- Phá váng

- Lấy bỏ lắng cặn

- Theo dõi áp suất khí

14

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VIỆC TÁI CHẾ CHẤT THẢI THÀNH KHÍ BIOGAS TRONG THỰC TIỄN

3.1 Ứng dụng của việc tái chế chất thải thành khí Biogas trong thực tiễn

Công nghệ biogas là một trong những sáng kiến hiện đại, giúp đem đến giá trị to lớn cho môi trường và con người Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến:

Dùng hầm biogas trong chăn nuôi: Giảm thiểu khối lượng lớn chất thải, giúp chuồng trại sạch sẽ, hạn chế mùi hôi thối; xử

lý triệt để các chất thải chăn nuôi, giảm thiểu giun sán và bệnh truyền nhiễm

Sản xuất nguồn cung năng lượng sạch: tạo lửa để đun nấu thực phẩm; tạo điện năng để thắp sáng; tạo nhiên liệu sử dụng cho đốt cháy động cơ;…

Ứng dụng trong nông nghiệp: Các chất thải chăn nuôi sau khi cho vào hầm biogas sẽ chuyển hóa thành khí sinh học Phần cặn bã còn lại dùng để ủ phân bón hữu cơ giúp cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng Nước thải từ hầm biogas sẽ dùng để tưới trực tiếp cho hoa màu