Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng sinh khí sinh học và methane trong bể khí sinh học

DANH MỤC CÁC BẢNG 1.1 Nồng ñộ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí 9 3.2 Diễn biến nhiệt ñộ môi trường và nhiệt ñộ ñất ở các ñộ sâu khác nhau 3.3 Diễn biến nhiệt ñộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng, các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ học vị nào

Tôi xin cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ ñể thực hiện luận văn này ñược cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận văn

Ma Quốc Trưởng

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñề tài này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi còn nhận ñược rất nhiều sự quan tâm giúp ñỡ của các thầy cô giáo trường ðại học Nông Nghiệp

Hà Nội các thầy và cộng sự của Viện Chăn nuôi, gia ñình và ñồng nghiệp

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc: PGS.TS Vũ Chí Cương, Viện Chăn nuôi; PGS.TS Bùi Quang Tuấn, Bộ môn Dinh dưỡng - Thức ăn chăn nuôi, Khoa Chăn nuôi và Nuôi trồng thủy sản, Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội, ñã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện ñề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Chăn nuôi và Nuôi trồng thủy sản các thầy, cô giáo ñã tận tình giúp ñỡ chỉ bảo tôi trong quá trình học tập tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Môi trường chăn nuôi thuộc Viện Chăn nuôi các ñồng nghiệp và cộng sự cũng ñã tận tình giúp ñỡ chỉ bảo tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện thí nghiệm tại Viện

Do thời gian và kiến thức có hạn, ñề tài của tôi không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Vì vậy rất mong nhận ñược những ý kiến ñóng góp của thầy cô giáo

và toàn thể bạn ñọc

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 04 tháng 10 năm 2013

Tác giả

Ma Quốc Trưởng

1.3.6 Bể phân hủy có ñệm bùn khí lơ lửng dòng chảy ngược 12

2.5.2 Xác ñịnh thành phần hóa học của hỗn hợp chất thải chăn nuôi lợn

(phân, nước tiểu, nước rửa chuồng) làm nguyên liệu nạp vào bể khí

2.5.3 Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ

2.5.4 Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến lượng khí methane

3.1 Thành phần hóa học của hỗn hợp phân ñưa vào bể khí sinh học thí

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABBH Acid béo bay hơi

C Carbon tổng số CHC Chất hữu cơ Hhp Hỗn hợp phân KSH Khí sinh học

N Nitơ tổng số

t1 Nhiệt ñộ trong bể khí ño ở ñộ sâu 1,4m

t2 Nhiệt ñộ trong bể khí ño ở ñộ sâu 1,8 m;

t1s Nhiệt ñộ ñất ño ở ñộ sâu 1,4

t2s Nhiệt ñộ ñất ño ở ñộ sâu 1,8 m VCK Vật chất khô

VS Chất rắn dễ bay hơi COD Nhu cầu oxy hóa học VFA Acid béo dễ bay hơi

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Nồng ñộ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí 9

3.2 Diễn biến nhiệt ñộ môi trường và nhiệt ñộ ñất ở các ñộ sâu khác nhau

3.3 Diễn biến nhiệt ñộ trong bể ở các mức sâu 1,4 m và 1,8 m theo tháng 32

3.4 Tương quan giữa nhiệt ñộ trong bể khí và nhiệt ñộ của ñất ở các ñộ

3.6 Tương quan giữa nhiệt ñộ bể khí sinh học với sản lượng khí sinh học

3.7 Tương quan giữa nhiệt ñộ môi trường và sản lượng khí sinh học (lít/kg

3.9 Tương quan giữa nhiệt ñộ trong bể khí và lượng khí methane (lít/kg

3.10 Tương quan giữa nhiệt ñộ môi trường và năng suất khí methane

DANH MỤC CÁC ðỒ THỊ

3.1 Diễn biến nhiệt ñộ của môi trường và nhiệt ñộ ñất ở các ñộ sâu khác

3.2 Diễn biến nhiệt ñộ trong bể ở các mức sâu 1,4 m và 1,8 m theo tháng 32

3.3 Tương quan bậc 1 giữa các nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ trong bể khí 34

3.4 Tương quan bậc 2 giữa các nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ trong bể khí 35

3.5 Tương quan bậc 3 giữa các nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ trong bể khí 36

3.7 Diễn biến năng suất khí sinh học (lít /kg VCK phân) và (lít /kg

ðẶT VẤN ðỀ

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Khí sinh học ñược coi như một nguồn năng lượng mới ñược tạo ra bằng công nghệ sinh học và ñang ñược sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Khí sinh học ñược tạo ra lần ñầu tiên năm 1814 bởi Humphry Davy từ các nguồn rác thải hữu cơ Vào năm 1900 việc sản xuất khí sinh học ñược bắt ñầu ở Bombay (Ấn ðộ) Ngày nay khí sinh học ñược sử dụng rộng rãi cho việc thắp sáng, chạy ñộng cơ, phương tiện giao thông, máy phát ñiện, ñun nấu và tạo ra nhiệt Công trình khí sinh học phù hợp

từ quy mô nhỏ tới quy mô lớn, từ các nước phát triển như Mỹ, các nước Châu Âu ñến các nước ñang phát triển như Ấn ðộ, Việt Nam và Trung Quốc (Cục Chăn nuôi, 2011)

Giống như những quá trình sinh học khác, quá trình tạo ra khí sinh học cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong ñó quan trọng nhất là nhiệt ñộ Nhiều nghiên cứu ñã công bố cho biết nếu tăng nhiệt ñộ trong bể khí sinh học lên 5oC thì lượng khí sinh ra tăng gấp 2 lần Nhiệt ñộ không chỉ tác ñộng tới ñặc tính lý hóa học của những thành phần trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ mà còn tác ñộng tới sự phát triển của hệ vi sinh vật trong môi trường yếm khí ðặc tính hòa tan trong nước của các chất hữu cơ, tỷ lệ tương tác sinh học và hóa học, tỷ lệ chết của các mầm bệnh tăng lên cùng với sự tăng nhiệt ñộ (Rehmet và cs., 1999)

Quá trình phân hủy yếm khí bao gồm quá trình thủy phân, quá trình acid hóa, aceton hóa và quá trình methane hóa (Denac và cs., 1988) ñã bị tác ñộng bởi nhiều thông số khác nhau Những yếu tố như pH, nhiệt ñộ, nồng ñộ chất rắn và thời gian lưu là những yếu tố quan trọng tác ñộng tới quá trình phân hủy yếm khí trong bể khí sinh học (Lise và cs., 2008) Yếu tố nhiệt ñộ không chỉ tác ñộng tới ñặc tính lý hóa học của những thành tố ñược tìm thấy trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ mà còn tác ñộng tới sự phát triển của hệ vi sinh vật trong môi trường yếm khí

Bể chứa hình vòm cố ñịnh cách nhiệt kiểu Trung Quốc ñã ñược chấp nhận rộng rãi ở nước ta từ nhiều năm nay và thường ñược chôn dưới ñất ñể thích hợp với

hiện vào ban ñêm trong những mùa lạnh Nhiều nghiên cứu ñã chỉ ra sự liên hệ giữa nhiệt ñộ bên ngoài bể với sản lượng khí sinh ra cũng như nồng ñộ khí methane trong hỗn hợp khí sinh học (Wu và Bibeau, 2006; Hansen và cs., 2006)

Khí hậu tại khu vực phía Bắc của Việt Nam ñược chia thành bốn mùa nhưng chủ yếu là có hai mùa rõ rệt: mùa hè (nóng) và mùa ñông (lạnh) nên vào thời ñiểm

có khí hậu lạnh thường ảnh hưởng rất nhiều tới quá trình xử lý yếm khí tạo khí sinh học Ngoài ra, vào mùa nóng thì mức ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa ngày và ñêm nhiều nên cũng làm cho hoạt ñộng của bể khí sinh học thường không ổn ñịnh Các công trình khí sinh học tại Việt Nam hiện nay ñã ñược phát triển rất nhiều và phần lớn ñược xây chìm dưới lòng ñất Tuy nhiên những mối quan hệ giữa nhiệt ñộ trong không khí, nhiệt ñộ của ñất và của bể khí sinh học ñến lượng khí sinh học ñến nay chưa thấy ñược nghiên cứu Xuất phát từ những lý do nêu trên chúng tôi ñã tiến

hành nghiên cứu ñề tài “Ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến khả năng sinh

khí sinh học và methane trong bể khí sinh học”.

2 Mục ñích và ý nghĩa của ñề tài

ưu hóa trong sản xuất khí sinh học tại miền Bắc Việt Nam

ñiện năng dồi dào trong sinh hoạt của người dân Tạo nguồn khí ñốt cho gia ñình rẻ tiền, sạch, sử dụng tiện lợi, ñặc biệt là ở các khu vực miền núi, khí sinh học giúp cho việc giảm bớt các nhu cầu tiêu thụ gỗ củi, giảm chặt phá rừng

Mặt khác, bể khí sinh học với nhiệt ñộ thích hợp sẽ xử lý an toàn chất thải trong chăn nuôi, làm sạch môi trường và phòng ngừa các bệnh truyền nhiễm Cung cấp một công cụ thân thiện với môi trường trong việc xử lý nguồn chất thải chăn nuôi, ñặc biệt là từ chăn nuôi lợn

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Một số khái niệm về khí sinh học

1.1.1 Khí sinh học

Khí sinh học là một hỗn hợp khí ñược sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí Hỗn hợp khí này chiếm tỷ lệ gồm:

CH4: 60 - 70%

CO2: 30 - 40%

Phần còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2,CO,CO2…CH4 có số lượng lớn và

là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí ñốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt ñộ môi trường, tốc ñộ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí (Cục Chăn nuôi, 2011) a/ ðặc tính khí sinh học

Khí sinh học có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 kg/m3 trọng lượng riêng này thay ñổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm một lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây ñộc cho người

và làm hư hỏng dụng cụ ñun nấu Mùi hôi của chất này giúp xác ñịnh nơi hư hỏng của hệ thống ñể sữa chữa

Khí sinh học có tính dễ cháy khi ñược hòa lẫn nó với tỷ lệ từ 6 ñến 25% trong không khí Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1m3 cần 8m3 không khí Trong thực tế, khí biogas (KSH) cháy tốt trong không khí khi ñược hòa lẫn ở tỉ

lệ là 1/9 – 1/10 (Cục Chăn nuôi, 2011)

b/ ðặc tính của khí CH4

Khí CH4 là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí Ở nhiệt

ñộ 200C, áp suất 1 atm thì 1m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg Khi ñốt cháy hoàn toàn 1m3 khí CH4 sẽ tạo ra nguồn năng lượng từ 5500 – 6000 kcal

1.1.2 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas

Các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ bị phân hủy thành

phản ứng sinh hóa trong ñó phần lớn carbon, hydro và oxy ñược chuyển hóa chủ yếu thành khí methane và carbonic Một phần nhỏ các nguyên tố calcium, phospho, nitrogen cũng bị thất thoát do sự phân hủy trong hầm biogas (Cục Chăn nuôi, 2011)

Sự phân hủy protein, tinh bột, lipid ñể tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo dễ bay hơi, các rượu, methylamine… cũng sẽ tạo ra các chất ñộc hại

ñi kèm như: tomain (ñộc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như indol, scatol

Các chất cao phân tử: cellulose, lignin sẽ bị vi khuẩn yếm khí có enzyme cellulosase phân hủy theo sơ ñồ phân hủy

(C6H10O5)n -> 3nCO2 + 3nCH4 + 4,5 Calo Lượng CO2 sinh ra một phần sẽ bị giữ lại bởi các ion K+, Ca2+, Na+, NH3+…

Do ñó hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70% CH4 (Cục Chăn nuôi, 2011)

Ở giai ñoạn ñầu các chất phân hủy nhanh như tinh bột, protein, ñường, một phần cellulose bị phân hủy trước tạo nhiều acid hữu cơ sẽ làm chậm quá trình phân hủy Ngược lại các chất xơ phân hủy từ từ nên khí sinh ra một cách liên tục Sự phân hủy xảy ra qua hai giai ñoạn với hai con ñường khác nhau:

Giai ñoạn 1:

- Sự acid hóa:

(C6H10O5)n + nH2O  3nCH3COOH

- Thủy phân acid tạo CO2 và H2:

CH3COOH + 2H2O  2CO2 + 4H2

Giai ñoạn 2:

Methane tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2:

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Vậy cả hai con ñường sinh methane ñều phụ thuộc vào quá trình acid hoá Nếu lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều phân tử sẽ gây ngừng trệ quá trình lên men của vi khuẩn methane Mặt khác, vi khuẩn lên men yếm khí trong giai ñoạn này ñều thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose

Các vi khuẩn này hầu hết là trực khuẩn có bào tử nằm rải rác ở các họ:

Clostridium, Plectridium, Cacduccus, Endosponus, Terminosporus…Các chất tạo thành: CO2, H2, formate, acetate, alchohol, methylamine, rượu các chất (trừ CO2) ñều cho electron và ñược làm chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sinh khí methane chuyên biệt Nhóm vi khuẩn chuyên biệt này ñều có hai coenzyme ñặc thù mà các nhóm vi khuẩn khác hầu như chưa thấy:

- Coenzyme M.(2-Mercaptoetban-Sulfonic-acid)

- Coenzyme F420. (một loại flavin mononucleotic)

Nhóm vi khuẩn này cũng ñã ñược xác ñịnh vai trò trong quá trình phần hủy yếm khí ðối với các polysaccharide sẽ ñược chuyển thành monosaccharides, trải qua quá trình biến ñổi sẽ tạo thành các muối acetate, lactate, ethanol, butyrate, propionate Sau ñó các muối này sẽ tiếp tục ñược phân hủy ñể tạo thành actate Muối actate lại thủy phân ñể tạo ra khí methane

Cơ chế lên men của vi sinh vật yếm khí ñược tóm tắt qua sơ ñồ sau:

1.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng sinh khí biogas

1.1.3.1 ðiều kiện yếm khí

ðây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất ñến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxy, nếu hầm ủ có oxy thì hoạt ñộng của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn (Nguyễn Quang Khải, 1995)

Cellulose Starch Pentosan (Hemicellulose)

Amino acid Methanol ðường Glycerol Acid béo

CH4

1.1.3.2 Nhiệt ñộ

Có hai vùng nhiệt ñộ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt ñộ trung bình) biến ñộng từ 20 – 45oC, và hai là thermophilic (nhiệt ñộ cao) trong vùng nhiệt trên 45oC Nhiệt ñộ tối ưu là 35oC cho vùng thứ nhất và 55oC cho vùng thứ hai

Sự thay ñổi ñột ngột về nhiệt ñộ ảnh hưởng ñến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt ñộ, nhiệt ñộ thay ñổi cho phép là 1oC trong mỗi ngày

Nhiệt ñộ dưới 10oC làm vi khuẩn hoạt ñộng kém và gas sẽ không ñược sinh

ra hoặc rất ít Tuy nhiên, chúng vẫn hoạt ñộng ở nhiệt ñộ thấp hơn nhiệt ñộ tối ưu

Ở Việt Nam nhiệt ñộ trung bình từ 18 – 32oC là thuận lợi cho hoạt ñộng của vi sinh, sinh khí methane (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.1.3.3 pH

pH cũng góp phần quan trọng ñối với hoạt ñộng sống của vi khuẩn sinh khí methane Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7 Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt ñộng của nhóm vi khuẩn giảm nhanh (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.1.3.4 Ẩm ñộ

Ẩm ñộ ñạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm ñộ lớn hơn 96% thì tốc ñộ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.1.3.5 Thành phần dinh dưỡng

ðể ñảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp ñầy ñủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cung cấp là nguồn carbon (C) và nitrogen (N); với carbon ở dạng

là carbonhydrate, còn nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac Ngoài việc cung cấp ñầy ñủ nguyên liệu C và N cũng cần phải ñảm bảo tỷ lệ tương ứng C/N Tỷ lệ thích hợp sẽ ñảm bảo cân ñối dinh dưỡng cho hoạt ñộng sống của vi sinh vật kỵ khí, trong

ñó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào Nhiều thí nghiệm cho thấy

với tỉ lệ C/N 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí cho kết quả tốt (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.1.3.6 Hàm lượng chất rắn

ðể hầm ủ hoạt ñộng tốt thì hàm lượng chất rắn nên ở mức dưới 9%, hàm lượng này thay ñổi theo mùa thường từ 7 – 9% Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt ñộ cao khả năng sinh gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận và ngược lại tỉ lệ chất rắn trong nước phân lợn 6% là tối ưu nhất ñể sinh khí trong ñiều kiện khí hậu nhiệt ñới, với nhiệt ñộ trung bình 25 - 27oC (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.1.3.7 Các chất kìm hãm quá trình sinh khí

Vi khuẩn methane dễ bị ảnh hưởng bởi các ñộc tố và các hợp chất hữu cơ Theo nghiên cứu các chất sau ñây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí (Nguyễn Quang Khải, 1995)

Bảng 1.1 Nồng ñộ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

SO4

2-NaCl Nitrite

1.1.3.8 Khả năng sinh khí của nguyên liệu từ phân

Bảng 1.2 Khả năng sinh khí của nguyên liệu từ phân

Loài gia súc Lượng gas từ phân

(lít/Kg phân)

Lượng phân gia súc (Kg/ngày) Trâu bò 22-40 10-15

Gia cầm 60-115 0,07-0,09

1.1.3.9 Một số yếu tố khác

- Thể tích của hầm ủ biogas;

- Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm;

- Thời gian lưu lại của dịch phân;

- Từng loại phân khác nhau;

- Tỷ lệ phân, nước dịch phân quá loãng thì lượng phân không ñủ ñể phân hủy, ngược lại dịch phân quá ñặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trình thoát khí Tỷ lệ phân nước theo một số tác giả ñã ñiều tra biến thiên từ 1/12 – 1/4 -1/7 thì tỷ lệ phân nước là tốt nhất khi ñó sự phân hủy trong hầm ủ rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu ñen sậm

- Số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn ñến khả năng tạo gas

1.2 Lợi ích của công nghệ khí sinh học

1.2.1 Cung cấp năng lượng

- Nấu nướng là công việc thường xuyên và không thiếu ñược ñối với mọi gia ñình, sử dụng biogas làm nhiên liệu có ưu thế hơn các loại chất ñốt truyền thống khác như củi, phụ phẩm nông sản, than, vỏ trấu

- Dễ dàng chuyển hóa sang dạng năng lượng khác như ñiện

- Khi sử dụng ñể cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt sẽ cho lửa ñều, sinh nhiệt cao, nấu nướng nhanh chóng

- Vệ sinh: không làm cay mắt, hại phổi, các dụng cụ nấu nướng cũng như bộ phận nhà bếp ñều sạch sẽ không tạo khói

- Tiết kiệm: tận dụng thời gian dành cho việc khác

1.2.2 Hạn chế ô nhiễm, bảo vệ môi trường

Nước thải sau quá trình phân hủy yếm khí sẽ giảm mùi hôi, không thấy ruồi nhặng ñeo bám, tiêu diệt mầm bệnh, nhất là ký sinh trùng và các bệnh lây lan khác

1.3 Một số hệ thống tạo biogas hiện nay

1.3.1 Hồ kỵ khí che phủ

Thông thường nước thải ñược thải ra các hồ lớn, quá trình phân hủy kỵ khí chỉ xảy ra ở phần ñáy Bên cạnh ñó hồ ở môi trường ngoài trời nên quá trình phân giải xảy ra chậm và sinh ra các khí có mùi khó chịu ra môi trường không khí xung quanh ðể hạn chế mùi khó chịu này và thu ñược khí sinh học, người ta dùng những tấm bạt nhựa lớn ñể che phủ mặt hồ với nhiều ống thu khí Tấm phủ thường ñược

sử dụng phổ biến biến hiện nay là loại HDPE có ñộ bền cao Tấm phủ còn có tác dụng ngăn mưa làm loãng nước thải Hệ thống này thích hợp cho các trang trại sử dụng hệ thống xối nước ñể vận chuyển phân ra hồ, phân ñược pha loãng có hàm lượng chất khô nhỏ hơn 2% và thích hợp với khí hậu nóng ẩm ðây là loại có chi phí xây dựng và vận hành thấp nhất và hiện ñược áp dụng ở nhiều nước nhiệt ñới (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.2 Bể phân hủy chảy ống

Thiết bị là một bể hình trụ nằm ngang Nguyên liệu mới ñược nạp vào một ñầu và ñẩy phần ñã phân hủy và khí ra ngoài ở ñầu kia Loại này sử dụng nguyên liệu có hàm lượng chất khô 10-13% Do vậy rất thích hợp với các trang trại thu phân theo hệ thống cơ học, không dùng xối nước Thời gian lưu khoảng 20 ngày; hệ thống cho hiệu suất sinh khí biogas tốt nhất Phân ñặc dễ tách nước ñể sử dụng tiếp (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.3 Bể phân hủy kỵ khí khuấy trộn ñều

Bể có kết cấu thẳng ñứng hoặc nằm ngang Nước thải ñược nạp vào bể phân hủy ñịnh kỳ hoặc liên tục Nước thải ñã phân hủy ñược xả ra ở phần trên, bùn ñược lấy ra ở phần ñáy Khí biogas ñược thu ở phần ñỉnh bể ðể tăng năng suất thiết bị thường hoạt ñộng ở nhiệt ñộ cao Ngoài ra bể còn có hệ thống thiết bị khuấy trộn nhằm cho vi khuẩn tiếp xúc tốt với nguyên liệu và tạo sự ñồng nhất Bể phân hủy

khuấy trộn có thể xử lý nhiều loại chất thải hữu cơ với hàm lượng chất khô 3-10%

Hệ thống này có giá thành cao (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.4 Bể phân hủy tiếp xúc

Là thiết bị khuấy trộn ñều cải tiến bằng cách thêm bể lắng bùn rồi lưu bùn từ ñáy của bể lắng về bể phân hủy trong khi phần nước thải sau khi phân hủy xả ra ngoài từ phần trên của bể lắng Thiết bị này có tải trọng thể tích cao hơn và thích hợp với xử lý chất thải có hàm lượng COD cao (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.5 Bể phân hủy lọc kỵ khí

Loại thiết bị này thích hợp với việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu

cơ thấp Một ñiểm quan trọng của thiết bị này là phương thức dòng chảy ngược (upflow) ảnh hưởng rõ rệt ñến hiệu quả xử lý do bể lọc kỵ khí chứa các vật liệu lấp ñầy (packing) hay còn gọi là vật liệu lọc Một phần vi khuẩn sinh trưởng nhờ bám dính vào vật liệu lấp ñầy tạo ra màng sinh học kỵ khí Một phần khác lơ lửng trong các khe của vật liệu lấp ñầy Vật liệu lấp ñầy ñược bố trí phía trên bộ phận phân phối (distributor) chất lỏng Khi hỗn hợp chất thải chảy qua bộ phận phân phối vào vật liệu lấp ñầy Do tác ñộng bởi một số lượng lớn vi khuẩn bám dính trên vật liệu lấp ñầy, các chất hữu cơ trong nước thải bị phân hủy và biến ñổi thành biogas Tuy nhiên nhược ñiểm của hệ thống này thường hay bị tắc nhưng hiệu suất khử COD có thể lên tới trên 80% (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.6 Bể phân hủy có ñệm bùn khí lơ lửng dòng chảy ngược

Phần ñáy của bể ñược gọi là ñệm bùn (Sludge Bed) vì ở ñó bùn dạng hạt có mật ñộ cao, dễ lắng và kết bông Chất thải cần ñược xử lý ñược ñưa vào qua bộ phận phân phối ở phía dưới ñược phân bố ñều trên toàn bộ tiết diện ngang của bể Các vi sinh vật của ñệm bùn phân hủy các chất hữu cơ trong chất thải và chuyển hóa chúng thành biogas Khí sinh học liên tục thoát ra dưới dạng bọt nhỏ và hòa thành những bọt lớn nổi lên bề mặt Do bị khuấy ñảo bởi các bọt khí, bùn ở phía trên của bể phân hủy nằm ở trạng thái lơ lửng tạo thành lớp bùn lơ lửng với mật ñộ tương ñối thấp Một bộ tách ba pha rắn – lỏng – khí ñược lắp ở phần ñỉnh của bể biogas Khi hỗn hợp các chất rắn và chất lỏng ñi vào vùng lắng, hiện tượng kết bông

bùn xảy ra Các hạt bùn ngày càng trở nên lớn và lắng xuống do trọng lực Các hạt bùn lắng xuống trượt về lại vùng phản ứng dọc theo thành nghiêng của bể Sau khi bùn tách ra, phần nước ñược xử lý chảy tràn qua khỏi vùng lắng thoát ra ngoài Các bọt khí biogas sinh ra từ vùng phản ứng nổi lên cho tới tấm ngăn ở trên rồi thoát khỏi chất lỏng và ñi vào buồng chứa khí biogas (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.7 Bể phân hủy có lớp bùn hạt bành trướng

Loại bể này là sự cải tiến của bể trên do có tốc ñộ chảy ngược cao hơn làm cho các hạt bùn nằm ở trạng thái lơ lửng Nhờ vậy các chất hữu cơ trong hỗn hợp chất thải tiếp xúc hoàn toàn với các hạt bùn, ñẩy nhanh tốc ñộ phản ứng sinh khí biogas Tuy nhiên cũng giống như bể trên loại thiết bị này chỉ phù hợp với hỗn hợp chất thải có hàm lượng hữu cơ thấp (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.8 Bể lọc ñệm bùn chảy ngược

ðây là loại thiết bị kết hợp dòng chảy ñểm khí và bể phân hủy có lớp bùn hạt bành trướng Bể lọc kỵ khí ñược lắp ñặt ở trên ñệm bùn, bề dày lớp vật liệu lấp ñầy giảm ñi và bỏ bộ tách ba pha Khoảng cách giữa thiết bị phân phối và vật liệu lấp ñầy với bể khiến cho bùn dạng kết bông và bùn dạng hạt có thể nằm ở trạng thái lơ lửng, phát triển và tích tụ ở ñó tạo ra ñệm bùn Ưu ñiểm của hệ thống này là nâng lượng chất khô tổng số của sinh khối và giảm khả năng tắc nghẽn (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.3.9 Bể phân hủy kỵ khí có vách ngăn

Hệ thống này có thiết bị vách ngăn ñược lắp thẳng ñứng ñể hướng dòng chảy nhằm duy trì mật ñộ bùn cao trong bể Các vách ngăn chia bể thành các ngăn chảy lên và chảy xuống Nếu hỗn hợp chất thải ñầu vào có hàm lượng chất hữu cơ cao thì nên hồi lưu nước xả ra (Nguyen Gia Luong and Nguyen Quang Khai, 2002)

1.4 Sự phát triển biogas ở Việt Nam

Công nghệ khí sinh học ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960 Sơ lược tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam có thể chia thành 5 thời kỳ

1.4.1 Thời kỳ một (1960-1975)

Ở miền Bắc, những thông tin về việc sử dụng biogas trong phong trào "ðại nhảy vọt" của Trung Quốc vào những năm 1957-1960 ñã gây ñược sự chú ý của nhiều người Tại một số ñịa phương như Hà Nội, Bắc Thái, Hà Nam Ninh, Hải Hưng, nhiều cơ quan cá nhân ñã tìm hiểu và xây dựng thử các hầm sinh khí biogas Năm 1960 cuốn sách "Cách sinh ra hơi methane nhân tạo và lấy hơi methane tự nhiên" của Trung Quốc ñược dịch sang tiếng Việt Năm 1964 tỉnh Bắc Thái ñã xây dựng "Xưởng phát ñiện methane" ñầu tiên của Việt Nam Tuy nhiên do những lý do

về mặt kỹ thuật và quản lý, công trình này không ñạt hiểu quả như mong muốn và sau một thời gian ngắn ñã bị bỏ không sử dụng

Ở miền Nam, năm 1960 Nha Khảo cứu và Nông lâm súc của chính quyền Sài Gòn cũ có thí nghiệm biện pháp sản xuất khí methane từ phân gia súc Tuy nhiên ý ñồ triển khai ra thực tiễn ñã không thực hiện ñược Một số công trình biogas ñược xây dựng rải rác tại miền Nam cũng không duy trì hoạt ñộng (Cục Chăn nuôi, 2011)

1.4.2 Thời kỳ hai (1976-1980)

Sau khi ñất nước thống nhất, ñứng trước nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội, khủng hoảng dầu mỏ, các dạng năng lượng mới, năng lượng tái tạo trong ñó việc phát triển biogas lại ñược chú ý ñến Năm 1976, phân Viện Năng lượng thuộc Bộ ðiện và Than ñã soạn thảo "ðề án sử dụng khí sinh vật ở Việt nam" Năm 1977 Bộ ðiện và Than giao cho Viện Quy hoạch và Thiết kế ðiện chủ trì ñề tài "Nghiên cứu ứng dụng hầm ủ lên men sinh khí methane" Tháng 12/1979 Ủy ban Khoa học và

Kỹ thuật Nhà nước ñã tổ chức "Hội nghị chuyên ñề về bể khí sinh vật" tại Hà Nội

ñể sơ kết kinh nghiệm về thiết kế, xây dựng và vận hành bể biogas Từ ñó vấn ñề khí biogas ñược ñưa vào thành chương trình cấp Nhà nước giao cho Viện quy hoạch

và Thiết kế ðiện (nay là Viện năng lượng) chủ trì (Cục Chăn nuôi, 2011)

1.4.3 Thời kỳ ba (1981-1990)

Trong kế hoạch 5 năm 1981-1985 và giai ñoạn 1986-1990 công nghệ biogas trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong Chương trình nghiên cứu nhà nước về năng lượng mới mang mã số 10C do Bộ ðiện lực (sau là Bộ

Năng lượng) chủ trì, sau chuyển sang Bộ ðại học trung học chuyên nghiệp và dạy nghề chủ trì với mã số 52C Tháng 3 năm 1989, chương trình 52C tổ chức Hội thảo quốc gia lần thứ nhất về biogas với sự tham gia của hầu hết những người làm công tác nghiên cứu Hội thảo ñánh dấu một bước phát triển quan trọng của công nghệ biogas ở Việt nam Cho tới 1990 ña số các tỉnh trong toàn quốc ñã có công trình biogas ñược xây dựng Phát triển mạnh nhất là các tỉnh phía nam ño ñiều kiện thuận lợi về kinh tế - xã hội và khí hậu Lớn nhất phải kể ñến là thành phố Hồ Chí Minh với trên 700 công trình ðồng Nai 468 công trình; tỉnh Hậu Giang 240 công trình Tính chung toàn quốc có khoảng trên 2000 công trình chủ yếu là loại nắp nổi, với dung tích bể phân hủy nhỏ từ 2 - 10 m3 Cá biệt

có công trình có thể tích phân hủy lên tới 200 m3 ở ðồng Nai Nhìn chung các công trình ñều hoạt ñộng tốt (Cục Chăn nuôi, 2011)

án SAREC- S2-VIE22 do Viện Chăn nuôi, Hội làm vườn trung ương (VACVINA), Cục khuyến nông và khuyến lâm và ðại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh triển khai Trong khuôn khổ hoạt ñộng của Ban chỉ ñạo quốc gia về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường, Trung tâm tư vấn hỗ trợ phát triển nông thôn (RDAC) ñưa thiết bị nắp cố ñịnh có vòm bán cầu chứa khí bằng compozit, phần còn lại ñược xây bằng gạch, thiết bị này ñược cải tiến nhiều lần Xí nghiệp Cơ khí nông nghiệp Ứng Hòa (Hà Nội) ñã thay vòm compozit bằng vòm xi măng lưới thép Bên cạnh

ñó dự án ñiểm của chương trình "Chương trình vệ sinh chăn nuôi xử lý chất thải băng hầm ủ biogas" ở huyện ðan Phượng (Hà Nội) ñã thành công với khoảng 3000 công trình ñược xây dựng Với nguồn kinh phí tài trợ Toyota, Hội làm vườn ñã phát

triển công nghệ lai ghép gồm bể phân giải dạng hình hộp xây bằng gạch và túi chứa khắ bằng chất dẻo treo trong nhà Nhiều Sở Khoa học công nghệ và Môi trường các tỉnh cũng tự nghiên cứu và ựưa ra những kiểu riêng như Phú Thọ, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Tiền Giang Nhìn chung giai ựoạn này do không có tổ chức ựầu mối quốc gia nên tình trạng phát triển biogas rất ựa dạng, không ựịnh hướng cụ thể nào

để ựưa tình trạng phát triển bắt ựầu vào tiêu chuẩn, Bộ Nông nghiệp và PTNT ựã ban hành Tiêu chuẩn ngành về Công trình khắ sinh học nhỏ (tháng 3/2002) (Cục Chăn nuôi, 2011)

1.4.5 Thời kỳ năm (từ năm 2003 tới nay)

đây là thời kỳ công nghệ biogas phát triển mạnh mẽ nhất Công nghệ biogas quy mô lớn (công nghiệp) Các trang trại chăn nuôi tập trung ngày càng phát triển định hướng của Bộ Nông nghiệp và PTNT sẽ phát triển chăn nuôi theo ựịnh hướng tập trung trang trại trong giai ựoạn 2015-2020 Việc phát triển chăn nuôi với quy mô tập trung ngày càng tăng gây ra những vấn ựề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường Phân và nước thải của các trang trại chăn nuôi là một nguồn ô nhiễm lớn ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người và vật nuôi đây cũng là nguồn phát thải khắ nhà kắnh góp phần làm biến ựổi khắ hậu của Trái ựất

Ở miền Nam, do chăn nuôi trang trại quy mô lớn phát triển mạnh, ựiều kiện khắ hậu thuận lợi (nóng quanh năm) nên công nghệ khắ sinh học quy mô lớn phát triển hơn Một số công trình ựã ựược xây dựng theo nhiều kiểu khác nhau, thu hồi khắ ựể phát ựiện tại đồng Nai, Bình Dương Tuy nhiên quy mô công trình mới chỉ hạn chế ở thể tắch phân hủy lớn vài trăm mét khối đáng chú ý việc ứng dụng và phát triển công nghệ kiểu hồ xây có che phủ bằng tấm HDPE (high density polietylene), ựã mở ra triển vọng lớn cho các trang trại quy mô lớn do việc xây dựng, vận hành ựơn giản chi phắ thấp, phù hợp với ựiều kiện khắ hậu nhiệt ựới của Việt Nam Số công trình kiểu này ựã ựược xây dựng ở một số tỉnh như đồng Nai, Bình Dương tới nay ựã có khoảng một vài chục công trình

Ở miền Bắc, tuy ựiều kiện kém thuận lợi hơn nhưng lẻ tẻ cũng ựã có một số công trình quy mô vài chục mét khối ựược xây dựng và khắ cũng ựược dùng ựể phát ựiện đáng chú ý là công trình kiểu hồ kỵ khắ có che phủ (công nghệ của Thái Lan)

ñược xây dựng tại trang trại của Công ty Khoáng sản Hà Tĩnh Dự án khí sinh học công nghiệp ñã xây dựng một mô hình trình diễn kiểu bể chảy ống xây bằng gạch và vòm chứa khí bằng compozit tiền chế, thể tích phân hủy 150 m3 tại trại chăn nuôi lợn

ở ðan Phượng, Hà Nội và hai mô hình kiểu hồ kỵ khí che phủ ở trại chăn nuôi lợn tại Yên Bình (Thạch Thất, Hà Nội) với thể tích phân hủy 1500 m3 và 5000 m3 (Cục Chăn nuôi, 2011)

1.5 Kỹ thuật quản lý và vận hành hệ thống biogas

Theo tài liệu của dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Cục Chăn nuôi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) và Tổ chức Hợp tác phát triển Hà Lan (SNV) khi vận hành công trình khí sinh học (hệ thống biogas) trong ñiều kiện Việt nam cần thực hiện các bước sau:

1.5.1 Chuẩn bị nguyên liệu nạp

Nguyên liệu nạp có thể là nguyên liệu thực vật hoặc chất thải ñộng vật Lượng chất thải nạp là 330-500 kg/m3 thể tích phân giải Lưu ý chỉ dùng chất thải của các con vật khỏe mạnh Tuyệt ñối không dùng chất thải của những ñộng vật có tiêm kháng sinh vì kháng sinh tồn dư rất lâu (hàng tháng), nên khi cho vào bể sẽ ức chế hoặc tiêu diệt các vi khuẩn lên men sinh methane (CH4) Với nguyên liệu thực vật cần phải có các bước sơ chế trước khi nạp vào bể Thực vật phải ñược ngắt bỏ

rễ, ñập dập nát hoặc băm nhỏ thành những mẩu dài 1-3 cm Xếp nguyên liệu thành ñống gồm nhiều lớp, mỗi lớp dầy khoảng 50 cm Rắc trên mỗi lớp một ít phân, hàng ngày tưới nước ñể giữ ẩm Thời gian ủ vào mùa hè là 10-15 ngày và mùa ñông là khoảng 30 ngày (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.5.2 Pha loãng và hòa trộn nguyên liệu

Pha loãng tạo ñiều kiện cho quá trình phân giải xẩy ra thuận lợi ðối với chất thải (phân + nước tiểu) ñộng vật, tỷ lệ pha loãng là 1-2 lít nước cho 1 kg chất thải (3-4 lít nước cho 1 kg phân nguyên) tùy thuộc vào mức ñộ nguyên liệu loãng hay ñặc ðối với chất thải thực vật tươi như bèo và các cây cỏ, tỷ lệ pha loãng vào khoảng 0,4-0,6 lít nước cho 1 kg thực vật tươi Nước pha loãng là nước ngọt, không ñược quá kiềm hoặc quá acid; nước hồ, ao tự nhiên tốt hơn nước máy (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.5.3 Nạp nguyên liệu

Có thể nạp nguyên liệu vào qua cả lối vào lẫn lối ra và cửa thăm Việc nạp nguyên liệu thực hiện càng nhanh càng tốt Khi nạp nếu nắp ñã ñậy kín thì cần mở hết các van khí ñể không khí trong công trình thoát ñược ra ngoài, không tạo áp suất quá lớn làm nứt, vỡ công trình Nạp nguyên liệu thực vật vào trước rồi ñổ dịch chất thải ñộng vật vào sau (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.5.4 Theo dõi chất lượng khí và sử dụng khí

Sau khi nạp xong, ñậy nắp công trình và ñóng khóa khí ñể tạo môi trường kỵ khí (không có oxy) cho quá trình phân giải Ban ñầu thành phần methane thấp nên khí chưa cháy ñược và có mùi khó chịu Cần xả hết khí tạp vài ba lần, sau ñó châm lửa thử ở bếp, nếu khí bắt cháy là có thể sử dụng ñược Ngọn lửa của hệ thống biogas có mầu xanh da trời nhạt, khó nhìn thấy Do vậy nên che ánh sáng ñể dễ quan sát ngọn lửa khi ñốt thử Khí còn nhiều khí tạp thì ngọn lửa yếu, chập chờn, dễ bay khỏi mặt bếp Nên ñặt nồi lên bếp khi thử ñể hạn chế ngọn lửa bay khỏi mặt bếp, ñể bếp dễ bắt cháy (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.5.5 Vận hành hệ thống biogas hàng ngày

Cần nạp nguyên liệu hàng ngày cho hệ thống biogas ñể ñảm bảo luôn có

ñủ khí ñể dùng Lượng nạp phải tuân thủ thiết kế, khi nạp nguyên liệu cần chú ý không cho ñất, cát, sỏi, ñá, cành cây, củi, gỗ, các hóa chất, dầu mỡ, chất thải của ñộng vật có tiêm kháng sinh vì những thứ này gây lắng cặn, hoặc ức chế hoạt ñộng của các vi sinh vật trong bể phân giải Cần khuấy ñảo dịch phân giải hàng ngày ñể tăng sản lượng khí và hạn chế ñóng váng; nếu váng quá dầy, cần ñịnh kỳ phá váng cho công trình (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.5.6 Theo dõi sản lượng khí

Nếu hệ thống biogas hoạt ñộng bình thường thì sản lượng khí phải tương ñối

ổn ñịnh Khi sản lượng khí giảm bất thường là ñã có những trục trặc trong vận hành hoặc hư hỏng của công trình, cần phát hiện nguyên nhân và khắc phục kịp thời (Nguyễn Quang Khải, 1995)

1.6 Biện pháp xử lý nước thải từ hệ thống biogas

Theo Borjesson (2008) trong phát triển ngành nông nghiệp ựặc biệt là trong chăn nuôi việc áp dụng công nghệ biogas là một ựiều cần thiết và ựang ựược quan tâm ở nhiều nơi trên thế giới đặc biệt, ựối với vùng nông thôn, miền núi, việc nghiên cứu phát triển công nghệ biogas là việc làm thiết thực, góp phần cải thiện môi trường sống, thay ựổi thói quen sinh hoạt và ựời sống của người nông dân, giải quyết triệt ựể tình trạng ô nhiễm môi trường ở nông thôn, hạn chế dịch bệnh ( Borjesson và cs., 2008; Elango và cs., 2007) Một câu hỏi ựặt ra là chất thải của hệ thống biogas sẽ ựược xử lý như thể nào? đã có nhiều phương pháp xử lý nước thải

từ hệ thống biogas ựược áp dụng

Theo nghiên cứu của Uemura và cs (2010), nước thải của biogas ựược dùng

ựể nuôi tảo hoặc sinh vật ựể làm thức ăn cho cá, chất thải rắn ựược phơi khô sử dụng làm phân bón Chất thải từ hệ thống biogas ựược sử dụng làm phân vi sinh hạn chế côn trùng phát triển Nước thải từ hệ thống biogas có thể ựược sử dụng ựể nuôi bèo tấm, nuôi tảo Spirulina cho hiệu quả kinh tế cao (Ngô Kế Sương và cs., 1997)

Các phương pháp xử lý nước thải từ hệ thống biogas như (1) hồ sinh vật (hồ oxy hóa): Gồm các loại hồ ổn ựịnh chất thải hiếu khắ, hồ ổn ựịnh chất thải kỵ khắ và

hồ ổn ựịnh chất thải tùy nghi; (2) sử dụng cánh ựồng lọc, cánh ựồng tưới (là những khu ựất chia ô nhỏ bằng phẳng ựược quy hoạch ựể xử lý nước thải); (3) sử dụng các sinh vật thủy sinh: gồm các nhóm nổi (bèo tấm, lục bình ); nhóm nửa chìm nửa nổi (sậy, lau, thủy trúc ); nhóm chìm (rong xương cá, rong ựuôi chó )

1.7 Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Sử dụng công nghệ KSH ựể xử lý các chất thải hữu cơ ựã ựược nghiên cứu thành công trên nhiều ựối tượng chất thải chẳng hạn như nước thải sinh hoạt, nước thải từ công nghiệp giấy, nước thải có ựộ mặn cao (Xie và cs., 2010) Tuy nhiên, sự

ổn ựịnh và hiệu quả của các quá trình xử lý yếm khắ chịu ảnh hưởng rất nhiều yếu tố (Chen và cs., 2008), trong số những yếu tố này, nhiệt ựộ thường ựóng một vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải sinh học hiệu quả xử lý và ổn ựịnh

Vi khuẩn sinh khí methane bị ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ rất nhiều, nhiệt ñộ lý tưởng cho quá trình lên men là 35oC, nhiệt ñộ thấp quá trình sinh khí giảm thậm chí ngưng hẳn (thấp hơn 10oC) Vi khuẩn methane cũng rất mẫn cảm với nhiệt ñộ lên

xuống thất thường Theo Kumar và cs., (1999) các mầm bệnh chứa E Coli và

Salmonella bị tiêu diệt trong hầm lên men yếm khí ở ñiều kiện nhiệt ñộ 35oC trong

10 ngày, nhưng ở nhiệt ñộ 20oC thì phải ủ tới 20 ngày Việc kiểm soát nhiệt ñộ trong hầm ủ ở 37oC và 54.9oC trong thời gian 25 ngày ñã không phát hiện các mầm

bệnh chứa Salmonella, Streptococci và Coliforms trong nghiên cứu xử lý trên chất

thải phân lợn Do vậy ở ñiều kiện hoạt ñộng của hầm ủ ở nhiệt ñộ thấp (15-20oC) một số nghiên cứu ñề nghị cần phải có công ñoạn xử lý sơ bộ ñối với chất thải rắn trước khi ñưa vào, nhằm nâng cao tốc ñộ phân hủy trong hầm ví dụ xử lý nhiệt các hợp chất hữu cơ (THP) (Appels và cs., 2010) Công ñoạn tiền xử lý có thể xử lý bằng hóa chất, cơ học, sinh học và bằng nhiệt các nguyên liệu chất thải trước khi ñưa vào hầm lên men yếm khí ñã có hiệu quả tích cực ñến quá trình sinh khí (Appels và cs., 2008) Việc tiền xử lý bằng nhiệt ñược cho là ñơn giản, và hiệu quả

Tuy nhiên tùy theo nhiệt ñộ xử lý và thời gian xử có kết quả khác nhau Climent và cs., (2007); Phothilangka và cs., (2008) kết luận rằng việc tiền xử lý chất thải rắn ở nhiệt ñộ 70oC trong thời gian 9 giờ ñã nâng hiệu suất sinh khí lên 50-80% Tuy nhiên khi xử lý ở nhiệt ñộ 50oC trong thời gian 48 giờ chỉ tăng ñược 11% (Nges và Liu, 2009) hoặc ở nhiệt ñộ xử lý 120oC trong thời gian 30 phút thì chỉ tăng ñược 25% (Jeong và cs., 2007) và thậm chí năng suất sinh khí cũng không tăng khi nhiệt ñộ xử lý lên 135-190oC (Bougrier và cs., 2008) Theo Basrawi F và cs.,(2010), một trong những khía cạnh quan trọng trong công nghệ KSH ñó là phải luôn ñảm bảo sự cân bằng năng lượng trong quá trình xử lý Sự cân bằng năng lượng lại chịu

sự chi phối của nhiệt năng và suy rộng ra chính là nhiệt ñộ môi trường xung quanh

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta hiện nay chăn nuôi lợn nông hộ ñang tăng dần quy mô trang trại cũng như tăng ñầu lợn Chiến lược phát triển chăn nuôi lợn giai ñoạn 2007-2020 ñã chỉ rõ phát triển chăn nuôi lợn công nghiệp từ 3,79 triệu con lợn ngoại (chiếm 14,1% tổng ñàn năm 2006) lên 12,86 triệu con lợn ngoại (chiếm 37% tổng ñàn vào

năm 2020) Song hành với sự phát triển của chăn nuôi lợn ngoại số lượng trang trại nuôi lợn công nghiệp sẽ tăng từ 7,5 ngàn trang trại vào năm 2006 lên 14 ngàn trang trại vào năm 2020 (Cục chăn nuôi, Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2007)

Nước thải chăn nuôi lợn có ñặc trưng ô nhiễm hữu cơ cao, giàu nitrogen, vi sinh vật… khả năng gây ô nhiễm môi trường cao Nếu không xử lý thích hợp thì nó

sẽ ñe dọa các thành phần môi trường khác và ảnh hưởng tới sức khỏe của cộng ñồng Cũng do ñặc tính như vậy mà khả năng áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí bằng bể KSH thích hợp trong xử lý loại chất thải này

Theo ước tính hiện nay trên ñịa bàn cả nước có khoảng 500.000 hầm phân hủy biogas, có quy mô dưới 10m3 của các hộ gia ñình nông dân Riêng chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam, do Chính phủ Hà Lan tài trợ, tính ñến năm 2011 ñã xây ñược 15.678 hầm KSH Ước tính chỉ có chưa ñến 100 hầm biogas thương mại, với dung tích khoàng 100-200m3 tại các trang trại nuôi lợn Tuy nhiên toàn quốc có tới 17.000 trang trại lợn, nghĩa là mới ñạt 0,3% trang trại có hầm KSH

Về công nghệ, hầu hết các hầm ủ nhỏ là loại hầm vòm cố ñịnh xây bằng gạch hoặc ñúc sẵn bằng composite tại các cơ sở chuyên nghiệp, cũng có loại là túi nhựa ñựng khí (dễ theo dõi khí và thích hợp cho các chuồng trại chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ)… Tuy nhiên, ñến nay vẫn chưa có nhà máy sản xuất ñiện KSH nào ñược hòa lưới ñiện quốc gia Và trên thực tế, người dân ñã sớm biết sử dụng KSH ñể ñun nấu

Dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành Chăn nuôi Việt nam” do Cục Chăn nuôi thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan (SNV) ñồng thực hiện từ năm 2003-2012 Mục tiêu tổng thể của Dự án

là góp phần phát triển nông nghiệp thông qua việc sử dụng công nghệ khí sinh học,

xử lý chất thải chăn nuôi, cung cấp năng lượng sạch và rẻ tiền cho bà con nông dân Tính ñến hết năm 2011, Dự án ñã hỗ trợ cho người dân xây dựng khoảng 114.000 công trình khí sinh học, ñào tạo khoảng 807 kỹ thuật viên, 1.398 ñội thợ xây khí sinh học Dự án cũng ñã phối hợp với nhiều chuyên gia, nhà nghiên cứu của các Viện, Trường ñại học tiến hành các nghiên cứu nhằm hoàn thiện quy trình sử dụng phụ phẩm khí sinh học trong trồng trọt, chăn nuôi ñể khuyến cáo các hộ gia ñình khai thác tối ña các lợi ích của công trình khí sinh học trong phát triển nông nghiệp

bền vững nam-trien-vong-trong-tam-tay-1-13304.html)

(http://www.tietkiemnangluong.com.vn/home/tin-noi-bat/biogas-o-viet-Một số nghiên cứu gần ñây tại Việt Nam cũng ñang tập trung giải quyết vấn

ñề chất thải hữu cơ nhằm tăng năng suất sinh khí KSH như: xử lý chất thải chăn nuôi bằng bổ sung bã mía (Lâm Vĩnh Sơn và Nguyễn Trần Ngọc Phương, 2011); xử

lý chất thải chăn nuôi bổ sung bèo lục bình và rơm (Nguyễn Võ Châu Ngân và cs.,

2012a; 2012b); bổ sung chế phẩm nấm Trichoderma vào bể biogas (Nguyễn Võ

Châu Ngân., 2012c) Tuy nhiên các nghiên cứu về xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến khả năng sinh khí KSH chưa thấy có công trình nào ñược công bố

Chương 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ðối tượng nghiên cứu

- Nhiệt ñộ gồm: nhiệt ñộ môi trường; nhiệt ñộ trong ñất và nhiệt ñộ trong bể khí

- Khí gồm: khí sinh học và khí methane

2.2 Vật liệu nghiên cứu:

- Bốn bể khí sinh học làm bằng nhựa tổng hợp (composite) ñược chôn dưới lòng ñất, với thể tích mỗi bể là 7m3

- Phân và nước tiểu của lợn ñực hậu bị ăn khẩu phần thức ăn công nghiệp (giống lợn Landrace), 2-3 tháng tuổi, trọng lượng 15-25kg ñược sử dụng làm nguyên liệu nạp vào bể hàng ngày

2.3 ðịa ñiểm và thời gian thí nghiệm

- ðịa ñiểm:

+ Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương, Viện Chăn nuôi;

+ Phòng thí nghiệm Bộ môn Môi trường chăn nuôi, Viện Chăn nuôi

- Thời gian:

Tháng 8/2012 ñến tháng 02/2013

2.4 Nội dung nghiên cứu

- Xác ñịnh thành phần hóa học của hỗn hợp chất thải chăn nuôi lợn làm nguyên liệu nạp vào bể khí sinh học

- Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ bên trong bể khí sinh học

- Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến lượng khí methane sinh ra trong bể khí sinh học

- Tìm các mối tương quan giữa các loại nhiệt ñộ với nhau như: nhiệt ñộ ngoài môi trường ở mức cách mặt ñất 1m, nhiệt ñộ trong chuồng nuôi cách mặt nền chuồng 1m, nhiệt ñộ trong bể chứa hỗn hợp của chăn nuôi lợn (phân, nước tiểu,

nước rửa chuồng), nhiệt ñộ trong ñất tại 10cm - 1m – 1,4m – 1,8m, nhiệt ñộ trong

bể khí tại các mức 1m – 1,4m – 1,8m, tại hai mùa trong năm (mùa nóng từ tháng 8 ñến tháng 10 và mùa lạnh từ tháng 11 ñến tháng 2 năm sau)

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Bố trí thí nghiệm

Sử dụng chất thải hỗn hợp của chăn nuôi lợn (phân, nước tiểu, nước rửa chuồng) từ ô chuồng nuôi những cá thể lợn giống Landrace trong giai ñoạn 2-3 tháng tuổi, khối lượng từ 15-25kg, thức ăn và chăm sóc nuôi dưỡng giống nhau ñể nạp vào bể KSH ñược làm bằng vật liệu composite có thể tích 7m3 Thời gian lưu chất thải trong bể là 40 ngày

- Lần nạp thứ nhất: nạp 300kg bao gồm: chất thải hỗn hợp (100kg) + nước sạch (200kg) trong 3 ngày

- Lần nạp thứ hai: nạp sau lần bổ sung thứ nhất là 15 ngày và ñược tiến hành ñều ñặn hàng ngày với thành phần nạp vào mỗi bể như sau: chất thải hỗn hợp (10,5kg) + 110kg nước sạch

- Hàng ngày theo dõi sản lượng khí sinh học Sau 7 ngày tiến hành ño nồng

ñộ khí methane và thu thập số liệu về nhiệt ñộ từ nhiệt kế tự ñộng ghi Sau một tháng tiến hành phân tích một số chỉ tiêu của chất thải hỗn hợp chăn nuôi lợn

2.5.2 Xác ñịnh thành phần hóa học của hỗn hợp chất thải chăn nuôi lợn (phân, nước tiểu, nước rửa chuồng) làm nguyên liệu nạp vào bể khí sinh học

- Lấy mẫu theo TCVN 5999-1995

- Chất khô theo TCVN 4326-2001

- Chất hữu cơ theo TCVN 4050 - 85

- Các acid béo bay hơi theo ISO 6632-1981

Các chỉ tiêu thành phần hóa học của chăn nuôi lợn (phân, nước tiểu, nước rửa chuồng) ñược lấy mẫu hàng ngày và ñược bảo quản trong tủ ñông, phân tích hàng tháng sau khi giã ñông trong thiết bị chuyên dụng ở ñiều kiện 30oC Các chỉ tiêu trên ñược phân tích tại phòng Phân tích thức ăn và Sản phẩm chăn nuôi, Viện Chăn nuôi

2.5.3 Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến nhiệt ñộ ñất và nhiệt ñộ bên trong bể khí sinh học

Nhiệt ñộ trong bể ở các mức 1m – 1,4cm – 1,8cm, ngoài trời môi trường gần vị trí của bốn bể và trong chuồng nuôi ño cách mặt ñất 1m, trong ñất ở mức 10cm – 1m – 1,4m – 1,8m Tất cả ñược theo dõi 30 phút/lần/24 giờ bằng máy ño tự ñộng EL-USB-1

có ñầu cảm biến nhiệt Từng vị trí có nhiệt kế ñiện tử cho mỗi mức ñộ ño (tự ñộng ghi lại nhiệt ñộ vào thẻ nhớ) hàng tuần ñược chuyển vào máy tính ñể theo dõi

2.5.4 Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường ñến lượng khí methane sinh

ra trong bể khí sinh học

Thí nghiệm ñược tiến hành trên bốn bể khí sinh học có kích cỡ như nhau Bốn bể ñược chôn cách nhau 5m tạo thành hình vuông Thể tích của mỗi bể là 7m3 Các chỉ tiêu theo dõi hàng ngày của mỗi bể gồm:

- Sản lượng khí sinh học bằng công tơ ño GALLUS LNE-11027 (lít khí sinh học/ngày/bể)

- Nồng ñộ khí methane ñược xác ñịnh hàng tuần bằng máy VISIT 03 có sử dụng khí CH4 chuẩn nhập từ Singapore ñể hiệu chỉnh máy trước khi tiến hành ño

2.5.5 Mối tương quan giữa các loại nhiệt ñộ với nhau

Xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ không khí ngoài trời tới sự hình thành nhiệt

ñộ trong bể khí ở các ñộ sâu khác nhau ðược thực hiện thông qua việc phân tích hồi qui giữa các loại nhiệt ñộ ñó

2.5.6 Phương pháp xử lý số liệu

Ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường, nhiệt ñộ ñất, nhiệt ñộ trong bể ñến các chỉ tiêu nghiên cứu ñược thống kê phân tích phương sai trên Excel và phần mềm Minitab 14.0 Mô hình thống kê ñầy ñủ như sau:

y =µ + T + e