Nghiên cứu công nghệ sản xuất biogas từ các chất phế thải của các đơn vị chăn nuôi gia súc, gia cầm

Mô hình sản xuất Blogas được xem là "cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới The Brown Revolution, Blogas hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới dé xử lý c

BO GIAO DUC VA DAO TAO

DAI HOC DA NANG

DAO XUAN HAN

NGHIEN CUU CONG NGHE SAN XUAT BIOGAS

TU CAC CHAT PHE THAI CUA CAC DON VI

CHAN NUOI GIA SUC, GIA CAM

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt

Mã số : 60.52.80

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

Cong trinh duoc hoan thanh tai

DAI HOC DA NANG

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Vang

Phản biện 1: TS NGUYÊN THÀNH VĂN

Phản biện 2: PGS.TS NGUYÊN BÓN

Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn

Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 23 tháng

10 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MO DAU

1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp đang phát triển mạnh,

những năm gân đây cơ cấu chuyển dịch của ngành chăn nuôi gia súc

gia cầm đang chuyển từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi dưới dạng trang trại Trong 5 năm vừa qua, chăn nuôi trang trại đã phát triển nhanh về số lượng và quy mô chăn nuôi Số lượng trang trại (TT)tăng từ 1.761 năm 2001 lên 17.721 năm 2006, bình quân tắng trong gia1 đoạn 2001-2006 đạt 58,7%/nam

Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng để xử lý chất thải chăn nuôi Mô hình sản xuất Blogas được xem là "cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới (The Brown Revolution), Blogas hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới dé xử lý chất thải chăn nuôi đây là mô hình mang lại lợi ích kép vừa xử lí vừa môi trường do nguồn chất thải chăn nuôi vừa đáp ứng được nhu cầu

năng lượng cân thiết, nguồn phân sạch để trồng trợt và làm thức ăn

cho cá

Làm sao sản xuất Biogas một cách hiệu quả nhất và nâng cao được chất lượng Biogas sinh ra đã và đang là vấn đề được nghiên cứu và quan tâm trong thời gian qua tuy nhiên vẫn còn rất nhiều vấn

đề cần nghiên cứu Nghiên cứu các mô hình cũng như các yếu tố ảnh

hưởng đến quá trình sinh biogas Từ đó tìm ra phương án nâng cao hiệu quả sử dụng hầm bioas áp dụng cho trại chăn nuôi gia súc, gia cầm Điều này sẽ mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong thời điểm hiện nay

Xuất phát từ thực tế đó mà tôi đã chọn đề tai:

"Nghiên cứu công nghệ sản xuất Biogas từ các chất phế thải của đơn vị chăn nuôi gia súc, gia cam"

2 Mục tiéu nghién cứu

Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp sản xuất biogas, và khảo sát thực tế tại các trang trại chăn nuôi heo có sử dụng hầm biogas Đánh giá hiệu quả của hầm biogas và căn cứ vào điều kiện cụ thể trên thưc tế để đề xuất các giải pháp SX Biogas phù hợp với các chất phế thải của các đơn vị chăn nuôi gia súc, gia cầm và ứng dụng CN nay vào một đơn vị chăn nuôi thực tế là trang trại chăn nuôi heo Hòa Phu-Hoa Vang-TP DN

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về tình hình chăn nuôi gia súc, gia cầm

- Nghiên cứu CN SX Blogas

- Khảo sát đánh giá hiệu xuất hầm biogas tại trại chăn nuôi heo

- Đề xuất phương án cái tạo hiệu quả hằm biogas

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu khảo sát đánh giá thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu công nghệ sản xuất khí biogas phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam, Khảo sát, đánh giá hiệu quả của mô hình biogas trên thực tế Đê xuất phương án nâng cao hiệu quả hầm biogas phù hợp với điều kiện thực tế

- Ý nghĩa thực tiễn: Giúp các đơn vị thấy rõ hơn ích lợi của việc

phát triển mô hình ứng dụng Biogas và góp phần nhân rộng mô hình biogas tại các trang trại cũng như các hộ gia đình nông thôn với số lượng nhiều hơn

6 Bồ cục luận văn

Ngoài phần mở đầu, mục lục, phụ lục; luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan tình hình sử dụng quản lý chất thải chăn

nuôi gia súc gia cằm

Chương 2: Tổng quan về Biogas

Chương 3: Công nghệ sản xuất biogas từ chất thải chăn nuôi gia suc gia cam

Chương 4: Ứng dụng công nghệ sản xuất Biogas vao trai Hoa Phu Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1 TONG QUAN TINH HINH SU DUNG QUAN LY CHAT THAI

CHAN NUOI GIA SUC, GIA CAM 1.1 CHAN NUOI GIA SUC GIA CAM O NUOC TA

1.1.1 Tình hình chăn nuôi thế giới

Theo số liệu thống kê của Tô chức Nông lương thế giới - FAO năm 2009 số lượng đầu gia súc và gia cầm chính của thế giới như sau: Tổng đàn trâu 182,2 triệu con chủ yếu ở các nước Châu Á, tổng đàn bò 1.1648 triệu con, dê 591,7 triệu con, cừu 847,7 triệu con, lợn 887,5 triệu con, gà 14.191,1 triệu con và tong dan vit la 1.008,3 triéu con Tốc độ tăng về số lượng vật nuôi hàng năm đạt trên dưới 1% năm

1.1.2 Chăn nuôi gia súc gia cầm ở nước ta

Về số lượng vật nuôi của thế giới, Việt Nam cũng là nước có tên tuôi về chăn nuôi: đứng thứ 2 về SỐ lượng vịt, thứ 4 về heo, thứ 6 về

số lượng trâu và thứ 13 về số lượng gà

1.2 DAC DIEM CUA PHE THAI CHAN NUOI

+ Chat thai ran: Phan, chat d6n, long, chất hữu cơ tại các lò mô + Chất thải lỏng: nước tiểu, nước rửa chuông, tắm rửa, vệ sinh + Chất thải khí: CO;, NHạ, CH¡

1.3 HIEN TRANG SU DUNG PHE THAI CHAN NUOI GIA

SUC GIA CAM Ở NƯỚC TA

1.3.1 Hiện trạng sử dụng phế thải chăn nuôi ở nước ta

Trong năm 2011, cả nước SX gần 47 triệu tấn lương thực, trên Š triệu tắn rau quả, 3,2 triệu tan thịt lợn, 0,7 triệu tấn thịt gia cam Tuy nhiên, bên cạnh thành tựu đạt được, vấn đề môi trường nông nghiệp nông thôn cũng đang gây nhiều bức xúc Theo tính toán, hoạt động SXNN phát thải trên 84,5 triệu tấn chất thải từ trồng trọt, 82,5 triệu tấn chất thải từ chăn nuôi trong đó chiếm 80% chất thải chăn nuôi và 90% chất thải trồng trọt chưa qua xử lý

1.3.2 Tình hình về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam

a Chất thải rắn: Công tác quản lý chất thải trong chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn, việc sử dụng phân lợn trong nông nghiệp vẫn còn bị hạn chế do phân lợn không giống phân bò hay gia cầm khác Phân lợn ướt và hôi thối nên khó thu gom và vận chuyển, phân lợn là phân “nóng” khó sử dụng, hiệu quả không cao

Phân bón = Biogas 291%

61%

uô1 cá 9%

Không tnục đích

50%

Hinh 1.2 Muc dich sie dung phan tại một số huyện thuộc TP HCM

b Chất thải lỏng: Đây là loại chất thải ít được sử dụng và khó quản lý: Lượng nước thải lớn, có mùi hôi thôi, khó vận chuyên

2.1.1 Năng lượng sinh khối

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để

mô tả các vật chất có nguồn Ốc sinh học vốn có thể được sử dụng

như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó

Sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây: Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, và có thê được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% lượng tiêu thụ của thế giới

2.1.2 Khi Biogas

Biogas con gọi là khí sinh học, là một hỗn hợp khí được sản sinh

ra từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí, thành phân chủ yếu là khí Mê-tan

2.1.3 Sản xuất Biogas từ chất thải hữu cơ

2.2 CAC UNG DUNG CUA SAN XUAT BIOGAS

2.2.1 San xuat nhiét truyén thong

Str dung biogas dé dun nau rat tiện lợi: sạch sẽ Bếp KSH gia đình

thường tiêu thụ khoảng 200 lít khí/giờ, đạt hiệu suất 50 — 60 %

2.2.2 Sử dụng Biogas qua sử lý để chạy động cơ đốt trong Các loại động cơ đốt trong dùng xăng hoặc dầu đều có thê cải tạo

để dùng KSH thay thế, hoặc vẫn dùng xăng dầu như cũ

Bảng 2.1 Lượng khí sinh học dùng để chạy động cơ đốt trong

Mục đích sử dụng Lượng khí tiêu thụ

Chạy động cơ xăng 0,40 — 0,50 m”/mã lực

Chạy động cơ diesel 0,45 m/mã lực

2.2.3 Sir dung min Biogas trong sản xuất nông nghiệp

Các chất hữu cơ như phân động vật, các loại cây xanh, sau khi phân hủy để sản xuất biogas lại trở thành một loại phân hữu cơ giàu dinh đưỡng Các nguyên tố N, P, K của nguyên liệu sau khi phân hủy hầu như không bị tốn thất mà lại chuyển hóa sang dạng phân mà cây trồng dễ hấp thụ Ngoài ra, bã thải còn được dùng để cung cấp thức

ăn bố sung cho chăn nuôi gia súc, gia cầm và nuôi thủy sản

2.2.4 Một số ứng dụng khác

a Thap sang

b Bảo quản hoa quả ngũ cốc

2.2 LỢI ÍCH CỦA VIỆC SỬ DỤNG BIOGAS

2.3.1 Lợi ích về môi trường

Dùng khí biogas làm nhiên liệu sẽ giảm một phần việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và việc chặt phá rừng để làm củi đốt nên đã góp phần bảo vệ rừng Biogas đã làm giảm đáng kế các chất khí gây hiệu ứng nhà kính Bên cạnh đó, công nghệ bể KSH đã cải thiện vệ sinh

trang trại và hộ gia đình, giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước từ trang trại chăn nuôi và cung cấp phân bón hữu cơ cải thiện đất trồng trọt 2.3.2 Lợi ích về kinh tế

Hiện nay, dùng khí biogas sẽ tiết kiệm được chi phí mua nhiên liệu và phân bón Kế hoạch sắp đến, khi sử dụng khí biogas sẽ tính toán đề thu được quyền phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính

2.3.3 Lợi ích về xã hội

Sử dụng khí biogas làm nhiên liệu sẽ giảm thời gian vận chuyển nhiên liệu cũng như giảm nhẹ lao động cho phụ nữ và trẻ em Bên cạnh đó, công nghệ làm bể sinh khí biogas đã ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm gây ra từ chất thải,

2.4 TÌNH HỈNH NGHIÊN CỨU ỨNG DUNG BIOGAS Ở

TREN THE GIOI VA O TAI VIET NAM

2.4.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dung khi biogas trén thé giới Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải sản lượng khí biogas có thể tạo ra là 200 tỷ mỉ, tương đương với 150 đến

200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón

2.4.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng khí biogas ở Việt Nam

CHƯƠNG 3 CONG NGHE SAN XUAT BIOGAS TU CHAT THAI CHAN

NUOI GIA SUC GIA CAM 3.1 CO SO LY THUYET QUA TRINH SAN XUAT BIOGAS 3.1.1 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí sinh metan

- Giai đoạn thủy phân: Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn

- Giai đoạn lên men acid: Trong gia1 đoạn này, v1 khuân lên men

chuyên hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hoi, alcohols, methanol, CO;, H;, NHạ, H;S và sinh khối mới Sự hình thành acid sẽ làm pH giảm xuống

- Giai đoạn acetic hóa: Vi khuẩn acetic chuyên hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, Hạ, CO; và sinh khối mới

- Giai đoạn metan hóa: Dưới tác dụng của các vị khuẩn sinh metan,acid hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác biến thành khí CH¿,CO¿,H;S,

3.1.2 Vỉ sinh vật học của quá trình phân giải hữu cơ ky khí Các vi khuẩn trong bể KSH được chia hai nhóm sinh metan và không sinh metan

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí biogas

3.2 GIOI THIEU VE CAU TRUC HAM BIOGAS

3.2.1 So dé bé Biogas

3.2.2 Co ché tao ra biogas

Biogas là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí 3.2.3 Các bước xây dựng ham Biogas quy mô nhỏ

a Lựa chọn thể tích xây dựng hâm Biogas:

b Lựa chọn địa điểm căn cứ vào các yếu tổ sau đây:

c Đào đất, xây bể phân huỷ, bể điều áp và thử độ kín

3.2.4 Vận hành và bảo dưỡng hầm biogas

3.3 MOT SO MO HiNH HAM SAN XUAT BIOGAS

3.3.1 Loai ban lién tuc

3.3.2 Loại hầm biogas theo kiểu nạp nguyên liệu theo từng mề 3.4 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TẠP CHÁT TRONG BIOGAS

3.4.1 Thành phân Biogas

Bang 3.2 Thanh phan chủ yêu của khí sinh

b Cacbonic (CO,): là chất khí không cháy, không màu, không mùi, nặng gấp rưỡi lần không khí Nếu khí này chiếm tỉ lệ caotrong

khí sinh học sẽ làm cho chất lượng khí sinh học kém di

c Hydro sulfua (HS): c6 mui cha “tring thối” khiến cho khí sinh học cũng trở nên có mùi khó chịu, giúp ta dễ dàng nhận thấy sự

có mặt của nó HS là nguyên nhân chủ yếu làm cho các bộ phận bang kim loại của hệ thống bị ăn mòn

d Tinh chat

3.4.2 Tiêu chuẩn của Biogas Trong các ứng dụng

Yêu cầu chất lượng để làm nhiên liệu Blogas có thể được sử

dụng cho những mục đích giống như khí tự nhiên khi đã được xử lý

Một số thiết bị như nỗi hơi, động cơ đốt ngoài Stirling yêu cầu it nghiêm ngặt nhất về xử lý khí do chúng là loại đốt ngoài Các loại động cơ đốt trong và microturbines yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với chat 6 nhiễm Trong khi đó pin nhiên liệu nói chung cân xử lý

nghiêm ngặt hơn nữa vì chất ô nhiễm sẽ tác động có hại đến chất điện phân

3.4.3 Công nghệ xử lý tạp chất trong Biogas

Nguyên tac: Khử khí CO;, H;S là quá trình tách các khí này ra

khỏi thành phần khí biogas Thông thường loại bỏ H;S yêu cầu triệt

để hơn vì vấn đề sức khỏe con người và môi trường Loại bỏ CO; được thực hiện khi yêu cầu biogas có chất lượng cao Các phương

3.5.1 Công trình Lemvig, Đan Mạch

3.5.2 Công trình xử lý dịch hèm máy cồn Lam Sơn, Thanh Hóa

3.5.3 Công trình nhà máy chế biến tỉnh bột sắn Tịnh Phong

CHƯƠNG 4

ỨNG DUNG CÔNG NGHỆ BIOGAS VÀO TRANG TRẠI HÒA PHÚ 4.1 DAC DIEM TRANG TRAI HOA PHU

4.1.1 Địa điểm và đối tượng khảo sát

a Địa điểm: Đề tài nghiên cứu được thực hiện ở trang trại chăn nuôi heo hòa phú được xây dựng ở thôn hòa phát, xã hòa phú , huyện hòa vang thành phố Da Nẵng Đây là vùng đất đồi khô căn, khó đầu

tư trồng trọt, hiệu xuất canh tác rất thấp cách xa các khu dân cư, phù hợp mô hình chăn nuôi kết hợp trông rừng.

b Đối tượng khảo sát: Hầm biogas xây gạch, bề mat ham được phủ nhựa HDPE dày 1.5 mm nước thải sau hầm biogas được đưa qua hệ thống các hồ sinh họctrước khi thải vào môi trường Kích thước hầm biogas lần lượt là 2500 mỶ và 1750m”

c Mục tiêu

Xác định lượng chất thải đưa xuống hầm biogas Phân tích thành phần nước thải trước và sau khi xử lý bằng hệ thống biogas

Ước tính lượng khí biogas sản xuất ra tại trang trại và lượng điện

được tạo ra từ khí biogas Đánh giá hiệu quả hầm biogas về hiệu quả sinh blogas và hiệu quả xử lý môi trường

Xác định công suất điện sản xuất ra hàng ngày thông qua máy phát điện chạy bằng khí biogas

Tính toán kinh tế và hiệu quả môi trường So sánh hiệu quả hầm biogas với trang trại khác, đề xuất phương án cải tiễn hiệu quả

4.1.2 Chất thải chăn nuôi

a SỐ lượng heo hiện nuôi trong trang trại: Số lượng heo khảo sát là heo thịt khu C nuôi 4500 Con, khu D nuôi 2500 con

b Nguôn phát sinh chất thải chăn nuôi: Lượng phân thải heo thịt có trọng lượng như trại hòa phú theo là 2kg/con ngày đêm Khu

C và D nuôi tong cộng 7000 lợn thịt Lượng phân thải ra bình quân mỗi ngày của Khu C và D khoảng 14.000 kgchất thải/ ngày đêm

Ước tính lượng biogas sinh ra ở khuC, D lên tới 560 - §40

m”/ngày đ

Bảng 4.3 Lượng biogas ước tính thu được

stt | Khu vực trang trại Lượng Heo Lượng khí thu được

(m /ngày đêm)