Mục tiêu giải quyết tình huống Đưa ra biện pháp xử lí chất thải trong chăn nuôi lợn ở quy mô hộ gia đình bằng hầm Bioga nhằm đảm bảo vệ sinh môi trường, tận dụng được chất thải chăn nuô
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA
TRƯỜNG THPT NHƯ THANH 2
BÀI DỰ THI
V N D NG KI N TH C LIÊN MÔN Đ ẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ ỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ ẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ ỨC LIÊN MÔN ĐỂ Ể
GI I QUY T TÌNH HU NG TH C TI N ẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN ẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ ỐNG THỰC TIỄN ỰC TIỄN ỄN
Trường THPT Như Thanh 2
Địa chỉ: Thanh Tân – Như Thanh – Thanh Hóa
Điện thoại: 0373557012
Email: thpt.nhuthanh2@thanhhoa.edu.vn
1 Họ và tên: Đào Thị Liên
Ngày sinh: 30/10/1999 Lớp:12C6
2 Họ và tên: Lương Văn Tỉnh
Ngày sinh: 18/04/1999 Lớp:12C6
Như Thanh, tháng 12 năm 2016
Trang 21 Tên tình huống
“Xử lí chất thải trong chăn nuôi lợn bằng hầm Bioga”
2 Mục tiêu giải quyết tình huống
Đưa ra biện pháp xử lí chất thải trong chăn nuôi lợn ở quy mô hộ gia đình bằng hầm Bioga nhằm đảm bảo vệ sinh môi trường, tận dụng được chất thải chăn nuôi lợn
để tạo khí sinh học phục phụ cho nhu cầu sinh hoạt của con người như đun nấu, thắp sáng,… đem lại hiệu quả kinh tế cao
3.Tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến việc giải quyết tình huống
Để nghiên cứu tình huống trên chúng em đã sử dụng kiến thức của những môn học sau:
3.1Về hóa sinh
Các chất thải từ chăn nuôi lợn bao gồm phân, nước tiểu, thức ăn dư thừa, nước tắm tẩy rửa chuồng trại sẽ được đưa vào hầm Bioga và tại hầm này sẽ xảy ra các quá trình sinh hóa để tạo ra khí Bioga gồm hỗn hợp khí: CH4: 60 – 70%; CO2: 30 – 40%, phần còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2, CO, CO2… Trong đó CH4 chiếm lượng lớn
và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Quá trình các phản ứng vi sinh hóa xảy ra trong quá trình sản xuất Biogas có thể được chia làm 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: (Giai đoạn thủy phân-phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành
các chất hữu cơ đơn giản) Phân mới nạp vào bể Bioga, bắt đầu quá trình lên men vi sinh Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra (vi khẩn Closdium, bipiclobacterium, bacillus gram âm không sinh bào tử, staphy loccus), các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic,axit lactic và các khí CO2, H2, NH3
Giai đọan 2: (Giai đoạn Axit hóa) là giai đoạn lên men, hay giai đoạn đầu của
quá trình bán phân hủy, nhờ các vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp axetat), chuyển hóa các hydrater carbon và các sản phẩm của giai đoạn 1 như Albumozpepit, Glyxerin và các axit béo thành các axit có phân tử lượng thấp hơn, như
C2H5COOH, C3H7COOH2, CH3COOH, một ít khí hydro và khí CO2, Quá trình này sản sinh các sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối như H2S, indol, scatol , pH của môi trường dịch phân hủy ở dưới 5
Giai đoạn 3: (Giai đoạn Axetat hóa) Các vi khuẩn tạo Metan chưa thể sử dụng
được các sản phẩm của các giai đoạn trước (1 và 2) để tạo thành metan, nên phải phân giải tiếp tục để tạo thành các phân tử đơn giản nhỏ hơn nữa (trừ axit acetic), nhờ các vi khuẩn Axetat hóa Sản phẩm của quá trình phân giải này gồm axit acetic, H2, CO2
Trang 3
Giai đoạn này, nhờ các vi khuẩn Axetat hóa phân giải các sản phẩm của giai đoạn trước tạo nhiều sản phẩm H2 và nó được vi khuẩn metan sử dụng cùng với CO2
để hình thành metan (CH4), bắt đầu giai đoạn phân hủy Lúc này các chất bã hữu cơ phân hủy mủn ra thành các phần tử nhỏ, lơ lửng trong dịch thải pH của môi trường dịch bể phân hủy chuyển sang kiềm và tối ưu ở khoảng 6,8 – 7,8
Giai đoạn 4: hình thành khí metan Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình
phân giải kỵ khí tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó khí metan chiếm thành phần lớn Quá trình hình thành khí metan được đồng thời, bằng 3 con đường:
1- Nhờ vi khuẩn hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2:
CO2 4H2 CH4 2 H O2
2- Nhờ vi khuẩn acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2 Khoảng 70% lượng metan sinh ra bằng con đường này
3- Nhờ vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl:
S đ quá trình vi sinh hóa lên men metan ơ đồ quá trình vi sinh hóa lên men metan ồ quá trình vi sinh hóa lên men metan
Trang 4M t s lo i vi khu n sinh khí Mêtan ột số loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ại vi khuẩn sinh khí Mêtan ẩn sinh khí Mêtan
3.2 Về vật lí
Nguyên liệu được nạp vào bể phân giải qua cửa nạp nguyên liệu Lúc này áp suất khí trong bể phân giải bằng (P=0) Khí sinh ra được tích tụ trong ngăn chứa khi sinh ra áp suất đẩy dịch phân giải dâng lên theo cửa nạp nguyên liệu và cửa xả Độ chênh giữa hai bề mặt dịch phân giải cửa nạp nguyên liệu/cửa xả và ngăn chứa khí tạo nên áp suất trong bể đẩy khí sinh ra vào ống thu khí và đường ống dẫn khí đến nơi sử
Trang 5dụng Khí được sử dụng để đun nấu, thắp sáng, bình nước tắm nóng lạnh tự động, máy phát điện… Từ 10kg phân lợn trở lên hàng ngày có thể sản xuất được 400 – 500 lít khí, đủ để cung cấp nhiên liệu cho gia đình 04 người sử dụng, đối với chiếu sáng có thể đạt độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60W
3.3 Về toán học
Thống kê thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi lợn Thống kê các loại khí trong hầm Bioga, tính toán lượng khí metan thu được đối với trang trại nuôi lợn hộ gia đình
Bảng thống kê tính chất nước thải chăn nuôi lợn
Trang 6Thành phần các loại khí trong hầm Bioga.
Tính toán lượng chất thải hàng ngày để thiết kế hầm Bioga Theo các nghiên
cứu một con lợn thịt nặng khoảng 70kg thì sẽ thải khoản 3,5kg phân một ngày và 1kg phân lợn cho trung bình 40 – 60 lít khí Do đó, trung bình trong ngày một con lợn thịt 70kg cho khoảng 175 lít khí Để lựa chọn kính cỡ, loại hầm Bioga cần xây ta cần tính
toán cụ thể lượng phân thải hàng ngày của lợn và tỉ lệ pha loãng nước
3.4 Về kỹ thuật công nghệ
Thiết kế hầm Bioga: Hiện nay có rất nhiều kiểu thiết kế về hầm Bioga Nhưng
phổ biến vẫn là hai loại là: KT1 của viện năng lượng quốc gia và KT2 của Đại học Cần Thơ Cả hai đều có những ưu nhược điểm, tuy nhiên kiểu KT1 xây dựng khó hơn đòi hỏi thợ xây kĩ thuật rất cao trong khi kiểu KT2 xây dựng dễ hơn nó phù hợp với những thợ xây thợ xây kĩ thuật bình thường Do đó kiểu NT2 phổ biến hơn ở vùng nông thôn
Ta xét ví dụ cụ thể sau: Một hộ gia đình ở Như Thanh – Thanh Hóa thường
xuyên nuôi 12 lợn thịt Trọng lượng xuất chuồng trung bình 70kg/con Tỷ lệ pha loãng 2:1 Biết rằng lượng chất thải của lợn theo % khối lượng cơ thể là 5%
Ta có: Lượng chất thải nạp hàng ngày (phân + nước tiểu): 70 × 5% × 12 = 42kg/ ngày Với khối lượng chất thải này nếu chọn kiểu hầm Bioga dạng bán cầu(KT2) thì
ta chọn tổng thể tích hầm cỡ 8,2m3 tương ứng với lượng chất thải nạp hàng ngày là 50kg/ngày (> 42kg/ngày) và tỷ lệ pha loãng 2:1
Bản vẽ các kích thước chính của hầm Bioga kiểu KT.
Trang 7Với tổng thể tích là 8,2m3 và tỉ lệ pha loãng 2:1 ta có các chỉ số phải xây dựng là :
Sản phẩm phụ của khí Bioga: Sản phẩm phụ của khí Bioga sau khi thải ra
ngoài ở bể phụ mang bón cây giúp: Bảo vệ đất khỏi bạc màu, xói mòn Phụ phẩm rất giàu dinh dưỡng, đặc biệt đạm dạng a-môn (NH4+), các vi-ta-min có tác dụng cải tạo đất, chống bạc màu, tăng hàm lượng mùn vì thế tốt cho các loại cây trồng, làm phân bón cho ao cá Ức chế một số vi khuẩn gây bệnh khô vằn ở lúa, bệnh đốm nâu ở lúa
mì, bệnh thối mềm ở củ khoai lang Với lúa nước: bón phân này sẽ hạn chế rõ rệt sâu đục thân, bọ rầy xanh, bọ rầy nâu, sâu cuốn lá, bệnh khô vằn, bệnh đốm nâu, bệnh đốm than
4 Giải pháp giải quyết tình huống
- Tham khảo cách thiết kế hầm Bioga trong tài liệu về khí sinh học, trên mạng.
- Đọc và tìm hiểu các kiến thức về khí sinh học, khí Bioga
- Tìm hiểu thực trạng chăn nuôi lợn ở địa phương chúng em
- Vận dụng các kiến thức liên môn đã học như: Toán, Lý, Hóa, Sinh, Kỹ thuật
để giải quyết tình huống
5 Thuyết minh tiến trình giải quyết tình huống
Chăn nuôi lợn là một nghề chăn nuôi chủ lực rất phổ biến ở nước ta Nó đem lại hiệu quả kinh tế cao Chuồng lợn là nguồn tài chính chủ yếu của nhiều gia đình ở nông thôn Việt Nam Tuy nhiên, hiện nay vấn đề đảm bảo vệ sinh môi trường ở các trang trại, chồng chăn nuôi lợn ở các hộ gia đình chưa được coi trọng, các chất thải trong
Trang 8chăn nuôi lợn thải ra môi trường chưa qua xử lý Đo đó, rất nhiều khu vực dân cư xung quanh các trang trại này đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến
Ch t th i t trang tr i l n ch a qua x lý gây ô nhi m môi tr ất thải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường ải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường ừ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường ại vi khuẩn sinh khí Mêtan ợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường ưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường ử lý gây ô nhiễm môi trường ễm môi trường ưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trườngờng ng
sức khỏe cộng đồng dân cư và ảnh hưởng đến hệ sinh thái tự nhiên Vì vậy, cần phải
xử lý các chất thải này nhằm đảm bảo vệ sinh môi trường là vô cùng cấp bách và cần thiết Xây dựng hầm Bioga để xử lý chất thải trong chăn nuôi lợn và một giải pháp hợp lý đối với các hộ gia đình chăn nuôi quy mô vừa phải, nó phù hợp với điều kiện ở nông thôn đồng thời đem lại lợi ích lớn về môi trường và kinh tế Việc xây dựng này phải trải qua các bước sau:
Bước 1 Chọn kích cỡ, kiểu công trình hầm Bioga: Để chọn được kích cỡ
kiểu hầm Bioga chúng ta cần tính toán được tổng lượng phân thải hàng ngày của lợn,
tỉ lệ pha loãng Trường hợp cụ thể đã tính toán, thiết kế ở mục 3.4, trong trường hợp này ta chọn loại hầm KT2 với tổng thể tích hầm là 8,2m3
Bước 2 Lựa chọn địa điểm xây dựng: Việc lựa chọn địa điểm phải đảm bảo
đủ diện tích mặt bằng để xây dựng thiết bị đúng kích thước dự kiến Tiết kiệm diện tích mặt bằng, tránh ảnh hưởng đến các công trình khác Cách xa nơi đất trũng để tránh bị nước ngập, xa hồ, ao để tránh nước ngầm, thuận tiện khi thi công và giữ cho công trình bền vững lâu dài Gần nơi sử dụng khí, ở nơi có nhiều nắng, kín gió để giữ nhiệt độ cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh khí Cách xa giếng nước từ 10
m trở lên để phòng ngừa nước giếng bị nhiễmbẩn
Bước 3 Chuẩn bị vật liệu: Để đảm bảo chất lượng công trình, cần lựa chọn
vật liệu đảm bảo các yêu cầu sau:
Gạch: Cần chọn gạch tốt, mác từ 75 trở lên Gạch được nung chín đều và có
kích thước đều đặn Không sử dụng gạch phồng, gạch non, gạch nứt, méo mó Bề mặt gạch phải sạch, không có đất cát hoặc rêu bám bẩn
Cát: Cát vàng dùng trộn vữa xây đường kính không quá 3 mm Cát mịn (thường
gọi là cát đen) dùng cho vữa trát Cát phải sạch, hàm lượng tạp chất không vượt quá 5% Cát bẩn phải sàng rửa sạch trước khi sử dụng
Xi măng: Đảm bảo xi măng còn mới, vẫn đạt mác như khi xuất xưởng Không
sử dụng xi măng đã vón cục, hạ mác
Sỏi, đá dăm: Sỏi, đá dăm là những cốt liệu dùng trong đổ bê tông Đá dăm dính
kết với xi măng tốt hơn sỏi Yêu cầu chung là bề mặt phải sạch, không dính đất hoặc
Trang 9các chất hữu cơ, cỡ đá sử dụng là cỡ 1x2 cm
Thép: Thép phi 6 đang mới, chưa bị gỉ.
Bước 4 Thi công xây dựng.
Lấy dấu và xác định mặt bằng: Sau khi xác định địa điểm xong ta đánh dấu tâm
các bể phân giải, bể nạp, bể điều áp Sau đó tiến hành lấy mặt bằng Thông thường mặt bằng thường lấy bằng mặt chuồng lợn
Đào đất: Chú ý vùng đất xung quang, mạch nước ngần để chống sụt lún Bán
kính hố đào phải rộng hơn bán kính bể khoảng 25cm đến 50cm
Xây đáy bể phân giải: Đáy bể được làm bằng bê hoặc có thể xây bằng gạch tùy
theo địa hình Tuỳ theo kích cỡ bể, chiều dày của đáy bể được qui định cụ thể trong thiết kế
Xây đáy và thành b phân gi i ể phân giải ải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường Xây thành bể phân giải: Yêu cầu phải cẩn thận, chính xác Trong quá trình xây
luôn xác định đúng tâm và bán kinh bể
Đặt ống lối vào ống lối ra: Khi xây tường bể phân giải tới độ cao chỗ nối ống
thì cần đặt ống vào vị trí như thiết kế Thông thường những chỗ nối này hay bị rò rỉ nên thi công cần phải cẩn thận để không tốn công xử lý về sau Cần chống giữ để cố định ống cho chắc, không bị lay động, rồi dùng vữa chèn kỹ, nhét
Đ t ng và xây mi ng b phân gi i ặt ống và xây miệng bể phân giải ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ệng bể phân giải ể phân giải ải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường
Trang 10Xây miệng bể phân giải: Nên xây làm 2 bước: bước đầu sau khi xây xong vòm
sẽ tiếp tục xây luôn phần chân cổ, tức là tới bậc đỡ nắp Sau đó trát bể phân giải cho tới hết đoạn này Phần còn lại sẽ xây tiếp sau Làm như vậy là để việc lên xuống thi công phía trong bể được thuận lợi và có đủ ánh sáng
Xây bể điều áp và bể nạp: Sau khi nối xong ống lối ra với bể phân giải và xây
tới phần vòm chứa khí, có thể tiến hành xây luôn bể điều áp
Việc xây bể điều áp dạng vòm cầu được tiến hành tương tự như với bể phân giải KT.2 Cần chú ý đảm bảo cốt đáy và cốt tràn đúng như thiết kế
Trát và quét lớp chống thấm: Công việc trát giữ vai trò quyết định đảm bảo cho
công trình kín nước và kín khí Nhiệm vụ này được thực hiện chủ yếu bởi lớp vữa ở mặt trong của công trình Do vậy, cần phải trát phần trong đúng kỹ thuật và cẩn thận Lớp chống thấm khí được quét ở phần chứa khí của bể phân giải (là phần vòm từ ống lối ra trở lên): Dùng hồ xi măng có pha phụ gia chống thấm khí theo tỷ lệ 0,5 - 0,7% (một lạng phụ gia pha với 10 - 12kg xi măng quét lên lớp trát vài lớp Đợi cho lớp này khô rồi quét lớp tiếp theo
Trát và quét l p ch ng th m ớp chống thấm ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ất thải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường
Đổ nắp đậy: Nắp đậy bể phân giải nên tiến hành đổ sớm ngay từ khi khởi công
xây dựng Nắp dày nên không cần cốt thép, chỉ bằng bê tông cát vàng theo tỷ lệ xi măng/cát/cốt liệu là 1/3/5 Mặt dưới và cạnh bên cần trát một lớp vữa và đánh màu thật nhẵn Sau đó quét 3 lớp chống thấm như với bể phân giải
Lấp đất: Khi tường đã đủ cứng, nếu không có nước ngầm thì có thể lấp đất dần
để giữ cho phần đã xây càng vững, không cần đợi xây xong mới lấp Nếu có cát hoặc
xỉ đổ lấp xung quanh là tốt nhất, nhất là ở phần chân bể phân giải
Bước 5 Thử kín nước kín khí: Sau khi xây dựng xong cần tiến hành kiểm tra
kỹ độ kín nước và kín khí của toàn bộ công trình bao gồm phần thiết bị sản xuất và đường ống dẫn khí Nếu không kiểm tra, vội nạp nguyên liệu nên khi đưa công trình vào làm việc mới thấy nhiều trục trặc Do đó lại lấy nguyên liệu ra để xử lý, gây lãng phí về nhân công và nguyên liệu nạp
Trang 11Bước 6 Lắp đặt ống dẫn khí: Sau khi hoàn thành 5 bước trên ta tiến hành lắp
đặt các đường ống dẫn khí, và các linh phụ kiện liên quan đến vận hành, sử dụng khí Bioga Việc lắp đặt này tùy theo từng hộ gia đình, đường ống dẫn khí sẽ dẫn khí Bioga đến các thiết bị sử dụng như: Bóng điện, bếp nấu, máy phát điện, khí Ống thép mạ cũng như ống nhựa cứng và nhựa dẻo, ống cao su đều có thể sử dụng để dẫn khí Nói chung, dùng ống nhựa cứng cho đường ống chính nối từ bể phân giải tới các dụng
cụ, phụ kiện là tốt nhất vì không bị rỉ, đường ống không bị võng khi lắp đặt so với ống nhựa dẻo Ống này nên dùng ống có đường kính ф21mm Dẫn khí từ ống chính vào các dụng cụ, phụ kiện nên dùng ống mềm thành ống dày, đường kính ngoài khoảng ф 8-10mm
M t s linh ki n thi t b đ l p đ ột số loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ệng bể phân giải ết bị để lắp đường ống dẫn khí ị để lắp đường ống dẫn khí ể phân giải ắp đường ống dẫn khí ưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trườngờng ng ng d n khí ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ẫn khí
L p ng d n khí ắp đường ống dẫn khí ố loại vi khuẩn sinh khí Mêtan ẫn khí
Khí Bioga dùng đ th p sáng và đun n u ể phân giải ắp đường ống dẫn khí ất thải từ trang trại lợn chưa qua xử lý gây ô nhiễm môi trường
