Công nghệ xử lý chất thải (biogas)

Trong hỗn hợp khí sinh vật ta thấy CH4 chiếm một số lượng lớn và là khí được sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt.. Cơ chế tạo thành khí sinh vật trong hệ thống biogas Sự tạo th

Nó chiếm tỉ lệ như sau:

- CH4: 60-70%

- CO2: 30-40%

Phần còn lại là một lượng nhỏ khí N2, H2, CO, CO2, Trong hỗn hợp khí sinh vật ta thấy CH4 chiếm một số lượng lớn và là khí được sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình sinh học và loại phân mà ta sử dụng

1.1 Đặc tính của khí CH4

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

200C, 1 atm, 1m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg

Khí đốt hoàn toàn 1m3 khí CH4 cho ra khoảng 5.500 - 6.000 kcal

1.2 Đặc tính khí của biogas

Đối với khí của biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0.9 - 0.94 kg/ m3, trọng lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp

Lượng H2S chiếm một lượng ít nhưng có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng của túi để sửa chữa

Gas có tính dễ cháy trong không khí nếu được hòa lẫn với tỉ lệ từ 6 - 25% mới có thể cháy được (vì thế khi sử dụng gas này có sự an toàn cao) Nếu hỗn hợp khí mà CH4 chỉ chiếm 60% thì 1m3 gas cần 8m3 không khí Nhưng thường khi đốt cháy tốt cần tỷ lệ gas trên không khí từ 1/9 -1/10 (UBKHKT Đồng Nai –1989)

2

2 Cơ chế tạo thành khí sinh vật trong hệ thống biogas

Sự tạo thành khí sinh vật là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa tan

Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với sự tham giữa các chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glycerin, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin cùng các chất độc hại như: Tomain (Độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như: Indol, Scatol (Đặng Ngọc Thanh - 1974) Và cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được dễ dàng bởi vi khuẩn yếm khí như lignin, cellulose

Tiến trình tổng quát như sau:

To = 35oC

pH = 7

- Sự acid hóa cellulose:

(C6H10O5)n + H2O → 3nCH3COOH

- Thủy phân acid tạo CO2 và H2

CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 4H2

Mặt khác vi sinh vật tham gia trong giai đoạn một của quá trình phân hủy kỵ khí đều thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyne cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau Hầu hết là các trực trùng có bào tử (Spore) Theo A.R Prevot chúng có mặt trong các họ:

+ Clostridium

+ Plectridium + Caduceus

+ Endosponus

+ Terminosponus

Chúng biến dưỡng ở điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như formate, acetate, alcohol, methylique, methylamine Trừ CO2, những chất còn lại đều có khả năng cho electron và dùng để dinh dưỡng cho nhóm

vi khuẩn sinh methane (Trần Văn Du – 1984) riêng nhóm vi khuẩn yếm khí

5

methane rất chuyên biệt và được nghiên cứu kỹ bởi W.E.Balcl và các cộng tác viên

ở Mỹ (1979) Nhóm vi khuẩn này được xếp thành ba bộ (order), bốn họ (family), mười bảy loài (genus) Tất cả các vi khuẩn này có hai coenzyne đặc thù:

• Coenzyme M (2 mercaptoethan – sulfonic – acid)

• Coenzyme F420 (Một loại flavin mononucleotide)

Hai coenzyme này đều là reductase, nghĩa là chúng tải electron từ những chất cho electron đến một chất khác để khử hòa chất đó Điều đặc biệt là cho tới nay người ta chỉ tìm thấy hai coenzyme này có ở nhóm vi khuẩn sinh khí methane mà không thấy ở nhóm khác (Trần Văn Du – 1984)

Tóm lại, các vi sinh vật sinh methane theo nhiều cơ chế phản ứng khác nhau như sau:

• 8 H2 + 2 HCO3 - + 2 H+ ⇔ 2 CH4 + 6 H2O

• CH3CH2OH + CO2 ⇔ CH3COO- + H+ + CH4

• CH3 – CHOH – COO- + H2O → 2 CH3COO- + CH4 + HCO3-

• 4 CH3CH2OH + 3 H2O ⇔ 4 CH3COO- + H+ + 3 CH4 + HCO3-

• CH3CH2 CH2 COO- + 2 H2O + HCO3- ⇔ 4 CH3COO- + H+ + CH4

• CH3COO - + H2O → CH4 + HCO3-

6

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

Sơ đồ: Quá trình lên men của các chất hữu cơ do các vi sinh vật yếm khí (Large,1983)

CH 4

7

3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí sinh vật

3.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối

Là sự lên men để phân hủy một hợp chất hữu cơ trong bình ủ đòi hỏi phải ở điều kiện kỵ khí hoàn toàn Vì sự có mặt của oxygen sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm đi hay ngừng hẳn

3.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ cũng làm thay đổi đến quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi khuẩn yếm khí rất nhạy cảm bởi nhiệt độ Chúng hoạt động tối ưu ở 310C–360C, dưới 100C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến gas và áp lực gas sẽ yếu đi Tuy nhiên, nhiệt độ cho chúng hoạt động cũng có thể thấp hơn nhiệt độ tối ưu trung bình vào khoảng 20 – 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động Nhóm vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép hàng ngày là 10C (UBKHKT Đồng Nai – 1989)

8

3.5 Thời gian ủ

Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra Với nhiệt độ, độ pha loãng, tỷ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp kéo dài đến 30 - 40 ngày (UBKHKT Đồng Nai – 1989)

3.6 Hàm lượng chất rắn (Vật chất khô)

Hàm lượng chiếm dưới 9% thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt Hàm lượng chất rắn thay đổi khoảng 7 – 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh ra tốt hay xấu Ở Việt Nam vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, sự sinh ra tốt nên hàm lượng chất rắn trong bình giảm, nên sự cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại (UBKHKT Đồng Nai – 1989)

3.7 Thành phần dinh dưỡng

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Thành phần chính của nguyên liệu là C, N Thành phần C thì ở dạng Carbonhydrate (C: tạo năng lượng);

N ở dạng Nitrate, protein, Amoniac (N tham gia cấu trúc tế bào)

Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần chú ý đến tỷ lệ C /N Tỷ lệ thích hợp từ 25/1 đến 30/1 cho sự phân hủy kỵ khí tốt (UBKHKT Đồng Nai – 1989)

Bảng 2.1: Tỷ lệ C/N trong một số loại phân

Loại phân Tỉ lệ C/N Trâu bò

Heo Gà Cừu Ngựa Người

25/1 13/1 5/1 – 10/1 29/1 24/1 2,9/1

9

3.8 Các chất gây trở ngại quá trình lên men

Vi khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ Theo nghiên cứu của Nguyễn Việt Năng, hàm lượng các chất sau đây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

Bảng 2.2 Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

Tên hóa học Hàm lượng SO42-

NaCl NO2-

Cu

Cr

Ni

CNABS (*) NH3

3.9 Một số yếu tố khác

Ngoài các yếu tố đã trình bày ở trên, số lượng gas tạo ra nhiều hay ít còn phụ thuộc một số yếu tố sau:

- Chiều dài và chiều rộng của bình biogas Yếu tố này có liên quan đến thời gian lưu lại của dịch phân ngắn hay dài và số lượng phân phù hợp với kích cở bình

- Tổng thể tích phân nước cho vào trong ngày và tỉ lệ phân nước

- Từng loại phân khác nhau cho số lượng gas khác nhau

- Tỷ lệ phân nước: dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân hủy, ngược lại dịch phân quá đặc sẽ gây cứng bình, tạo lớp váng trên bề mặt của bình gây cản trở quá trình sinh khí

Ngoài ra yếu tố nhiệt độ, pH, số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo gas

3.10 Một số đặc điểm của vi sinh vật chỉ danh sự ô nhiễm nước

Vi sinh vật chỉ danh sự ô nhiễm nước là nhóm vi sinh vật mà sự hiện diện của chúng cho biết nguồn nước bị ô nhiễm, nói cách khác nước đã có sự ô nhiễm của nhân tố gây bệnh Bản thân nhóm vi sinh vật này không gây bệnh và dễ phát hiện hơn các loại vi sinh vật khác nên chúng được dùng để đánh giá chất lượng nước Sức đề kháng của vi khuẩn chỉ danh ô nhiễm nước tốt hơn nhiều so với vi trùng gây bệnh không có nha bào như: Salmonella, Shigella

• E coli: là trực khuẩn đường ruột, sống thường xuyên trong ruột người, gia súc và theo phân gieo rắc ra ngoài Nó là trực khuẩn Gram (-) 2 đầu tròn có lông quanh thân nên di động được, không hình thành nha bào, tồn tại ở phân tươi với pH = 7 là

62 ngày

• Coliform: là trực khuẩn đường ruột Gram (-), không nha bào, phát triển được trong môi trường muối mật Theo định nghĩa này coliform gồm: Escherichia, Klebsiella, Citrobacter, Enterobarter

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TÚI Ủ PHÂN LÀM CHẤT ĐỐT CHO

CHĂN NUÔI

Báo cáo viên: ThS Dương Nguyên Khang Khoa Chăn nuôi Thú Y, Đại học Nông Lâm TP HCM

XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI

1 Ủ làm phân bón cho trồng trọt

2 Sử dụng phân chuồng chăn nuôi cá

3 Ủ phân làm chất đốt

BIOGAS XÂY VÒM CẦU, NẮP CỐ ĐỊNH

HIỆU QUẢ KINH TẾ – XÃ HỘI

- Lợi ích:

+ Vững chắc + Aùp lực gas cao + Tiết kiệm diện tích + Khi hoạt động tốt thì thời gian sống lâu

TÚI Ủ PHÂN LÀM CHẤT ĐỐT

SỐ TÚI Ủ THIẾT KẾ TỪ 1996 ĐẾN 2000

SỐ TÚI Ủ THIẾT KẾ Ở HAI KHU VỰC NÔNG NGHIỆP

TRONG NĂM 1999 VÀ NĂM 2000

HIỆU QUẢ KINH TẾ – XÃ HỘI

1 Lợi ích

- Rẻ, hiệu quả kinh tế.

- Dể thiết kế, dễ thay thế.

- Sinh gas ổn định.

- Xử lý chất thải hoàn hảo.

- Thích hợp cho nông hộ nhỏ.

2 Trở ngại

- Dễ thủng túi.

- Lão hóa dưới nắng mặt trời.

- Duy trì 2-3 năm cho túi không che chắn, 6-7 năm hay lâu hơn cho túi che chắn.

THỜI GIAN SỬ DỤNG (Năm)

(Khảo sát trên 200 túi đã thiết kế từ năm 1995)

KHẮC PHỤC – KHUYẾN CÁO

1 Khắc phục

* Của kỹ thuật viên:

n Thay túi chứa phân mới.

n Vá túi chứa phân bị thủng bằng miếng vá.

* Của nông hộ:

n Giảm chiều dài túi: bằng cách cắt bỏ phần bị thủng

n Giảm chiều dài túi: bằng cách cắt bỏ phần bị thủng

n Lật túi ủ: chuyển bề mặt thành bề đáy.

n Thay lớp ngoài vào lớp trong khi túi dự trữ bị thủn

2 Khuyến cáo bảo quản

n Xây xi măng bảo vệ túi

n Rào túi chứa phân

n Cố định túi dự trữ chắc chắn

4 Kết hợp các mô hình cho hiệu quả nhất

Chăn nuôi Trồng trọt Môi trường Giá cả

Nhu cầu phân

Sản phẩm trồng trọt Sản phẩm gia súc

Chất thải

Phân tươi, Mầm bệnh

Các cách xử lý

Mùi: Phân, Chuồng

Mùi và chất thải từ phân vào đất

Giá cho xử lý và

ủ phân Kết quả Phân bón

Ủ hoặc Biogas Phân bón cho trồng trọt và

sử dụng phân gia súc

Cân bằng hay không

về Chất thải, Phân bón, Mùi, Độc tố

Ô nhiễm môi trường,

Mầm bệnh

Aûnh hưởng môi trường địa phương và toàn cầu

Kết quả sử dụng phân cho trồng trọt

Giá tổng cộng về xử lý phân

Cách chăn nuôi và sử dụng phân cho hiệu quả nhất?

PHƯƠNG HƯỚNG MÔ HÌNH MỚI

- Mô hình: Phối hợp mô hình hầm xây nấp vòm và hầm túi ủ

- Vật liệu:

+ Xi măng chìm trong lòng đất.

+ Nấp vòm để xử lý hoạt động sinh gas: hổn hợp PE, PVC

- Lợi ích:

+ Vững chắc.

+ Aùp lực gas sinh ra cao.

+ Tiết kiệm diện tích.

+ Hoạt động tốt.

+ Thời gian sống lâu.

+ Dễ sửa khi cần thiết.

- Trở ngại:

+ Phải nghiên cứu thay thế vật liệu rẻ tiền có sẳn tại nước ta

Túi ủ phân làm chất đốt: Supergas

1

SỬ DỤNG BIOGAS

I Vai trò của biogas trong sản xuất và đời sống

1.1 Cung cấp năng lượng

Khí đốt sinh học ra đời tạo ra một nguồn chất đốt mới – nguồn chất đốt không truyền thống ở Việt Nam - nó phục vụ nhu cầu nấu nướng, thắp sáng Việc nấu nướng dễ dàng, sạch sẽ hơn, đồng thời tiết kiệm thời gian

1.2 Hạn chế ô nhiễm –bảo vệ môi trường

Hiện nay ô nhiểm môi trường đang làvấn đề rắc rối trên thế giới và Việt Nam Việt Nam trên con đường phát triển kinh tế gặp nhiều vấn đề khó khăn như:

Ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, môi trường sống khắc nghiệt hơn

Ngành công nghiệp phát triển, đô thị hóa gia tăng

Nạn gia tăng dân số, còn cảnh đói nghèo, suy dinh dưỡng trẻ em

Rừng tự nhiên bị phá do nhu cầu năng lượng gia tăng, nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt (Lê Văn khoa -1995)

Sự phát triển của ngành chăn nuôi đã làm gia tăng sản phẩm bài thải cho nên tận dụng nguồn phân làm biogas sẽ là phương cách xử lý có thể chấp nhận được vì:

- Tạo năng lượng đốt, hạn chế phá rừng

- Xử lý tốt các yếu tố gieo rắc mầm bệnh trong phân vì nước thải sau biogas giảm mùi hôi không thấy ruồi nhặng đeo bám, đặc biệt là ký sinh trùng vàø các

+ Nước thải là nguồn phân bón tốt, hợp vệ sinh

+ Nước thải còn là nguồn thức ăn của động vật thủy sinh

Aûnh 1: Sử dụng chất thải Biogas để nuôi cá, bèo và trồng rau muống

3

II Tình hình sử dụng biogas

2.1 Trên thế giới

Các nước phát triển mạnh trên thế giới, nguồn năng lượng và nguồn phân bón dồi dào, cho nên việc ứng dụng kỹ thuật biogas chủ yếu là để giải quyết vấn đề môi trường Ở các nước này thường có dạng hầm ủ theo nhiều kiểu xây dựng khác nhau với dung tích khoảng 1 triệu đến 2 triệu m3 Chúng hàng ngày tiêu thụ hàng chục tấn phân người, phân gia súc và rác thải từ các thành phố lớn Tiêu biểu ở tiểu bang Florida (Mỹ), Thụy sĩ, Canada, Hà lan

- Ở châu Á: Trung Quốc và Aán độ có số lượng biogas nhiều nhất (Kristoferson and Bokhalders)

- Trung Quốc: Sau 1975 với hình thức “biogas cho mỗi hộ gia đình” đã thiết lập khoảng 1,6 triệu cái mỗi năm Đến 1982, với con số lớn hơn 7 triệu cái được lắp đặt ở Trung Quốc Tuy số lượng lớn được lắp đặt như thế, nhưng con số không thành công cũng chiếm tỷ lệ không nhỏ Chẳng hạn năm 1980 hơn 50% tổng số cái đã rơi vào tình trạng không sử dụng được (Marchain,1992)

- Tại Ấn độ: sự phát triển mới với những mô hình mới đã không được hợp nhất nhanh chóng Chính vì thế có cuộc cải cách kết hợp với sự phản hồi từ nông hộ đã giải quyết nạn ô nhiễm môi trường (Kristoferson and Bokhalders - 1991)

Đồng ý với Marchain (1992), Kristoferson and Bokhalders đã đưa ra những vấn đề như: mô hình không đúng, xây dựng sai, khó khăn về tài chính, những rắc rối trong lúc thực hiện Nhìn chung Ấn độ rất thích hợp trong chương trình biogas kết hợp nông hộ để giải quyết vấn đề môi trường

4

2.2 Việt Nam

Việt sử dụng khí sinh vật ở việt nam được đề cập từ đầu thập niên 70 nhưng mãi đến cuối thập niên 70 mới phát triển mạnh do thiếu hụt năng lượng và hưởng ứng chương trình năng lượng 52 C của nhà nước Lúc đầu khí sinh vật tạo ra chủ yếu

ở dạng các hầm ủ và những túi cao su Những năm gần đây túi ủ bằng plastic mới phát triển do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình nông trại kết hợp

Túi ủ bằng nylon chỉ mới tập trung ở các tỉnh phía nam như quanh thành phố Hồ Chí minh, thành phố Cần Thơ Trong quá trình lắp đặt và sử dụng thì tỷ lệ thành công ở các tỉnh phía nam đạt cao hơn ở các tỉnh miền Trung và các tỉnh miền Bắc (Bùi Xuân An - 1995)

Ngoài các yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công của biogas như điều kiện xã hội, sự tiếp cận thông tin khoa học kỹ thuật, thì sự duy trì bảo quản túi cũng là yếu tố quan trọng Ở miền Nam sự thành công cao hơn ở miền Trung, miền Bắc về lắp đặt và sử dụng biogas bằng túi nylon có thể là do:

- Khó khăn về vốn trong chăn nuôi

- Khó khăn về khí hậu, trong đó yếu tố nhiệt độ chi phối rất lớn Đó là thời điểm mùa đông nhiệt độ hạ thấp làm biogas hoạt động không tốt (Rodriguez-1996)

III CÁC DẠNG HẦM Ủ CHÍNH Ở VIỆT NAM

5

3.1 Loại nắp trôi nổi (The India Floating Gasholder digester)

Xuất hiện đầu tiên ở Aán Độ, thường là dạng tròn, xây chìm hẳn trong lòng đất, vật liệu làm bằng gạch, xi măng, ống nạp nguyên liệu nối với buồng chứa bùn ở gần dưới đáy, phần đối diện là ống xả bùn Khí sinh ra được giữ lại ở phía trong phần nắp nổi, nắp này đa số chế tạo bằng thép dày Hầm này rất hợp vệ sinh do bề mặt chất thải tiếp xúc ít với môi trường, hầm ít bị rò rỉ, dễ xây dựng nhưng giá thành lại cao, phải có kế hoạch bảo trì như sơn nắp trôi nổi để chống rỉ, với loại này thường đạt áp suất khoảng 100 – 150 mmHg, nên không thể dùng để thắp sáng được

3.2 Loại hầm nắp cố định (The Chinese Fixed – Done digester)

Loại hầm này phổ biến ở Việt Nam, xây dựng nữa chìm nữa nổi hay nổi hẳn trên mặt đất Vật liệu làm bằng gạch, xi măng Phần trần đổ bằng bê tông, cốt thép Bể ủ dạng hình vuông, tròn, chữ nhật Phần chứa khí nằm ngay trên trần bể Kỹ thuật xây dựng loại hầm này đòi hỏi cao vì dễ bị rò rỉ, khó sửa chữa Nhưng giá thành lại thấp hơn hầm nắp trôi nổi Bề mặt chất thải tiếp xúc với môi trường lớn nên vệ sinh kém Aùp lực khí đạt khoảng 1000 mmHg, nên ngoài đun nấu còn phục vụ thắp sáng, chạy động cơ,

3.3 Túi cao su (Rubber bag digester)

Được nghiên cứu và chế tạo ở Đài Loan Vật liệu làm bằng túi cao su thiên nhiên, ống ra vào thường lắp bằng ống sành Vệ sinh túi rất tốt do không tiếp xúc với môi trường bên ngoài, dễ khuấy trộn Tuy nhiên dung tích túi nhỏ chỉ khoảng 1– 3 m3 nên lượng khí sinh ra chưa phục vụ đủ nhu cầu cho hộ gia đình Mặt khác khi túi bị rò rỉ thì khó phát hiện nên ít được sử dụng