BAO CAO NHA MAY DIEN BIGAS NHOM 10

Bùn cặn từ quá trình xử lý nước thải kèm sản xuất biogas dùng làm phân bón cho nôngnghiệpViệc sản xuất khí Biogas từ chất thải sinh khối tại Việt Nam đã đã có từ lâu và khôngphải là

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Đề tài:

GVHD: Ts LÊ MINH NHỰT

SVTH: MSSV:

TRẦN HỮU DƯ TRẦN TRUNG CHÁNH MAI PHÚ KHANG

TPHCM, tháng 12 năm 2014

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu năng lượng về dầu mỏ nhằm đáp ứng nhu cầu cho các hoạt động sống của con người ngày càng lớn, nhưng khả năng cung cấp nó thì ngày càng giảm Người ta dự tính khoảng 100 năm nữa nguồn năng lượng từ thiên nhiên như dầu mỏ, than đá … sẽ cạn kiệt Đây thật sự

là một thách thức to lớn đối với toàn thể ngành năng lượng của thế giới mà trong đó có Việt Nam Vậy làm sao có nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống là điều mà nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu ứng dụng từ lâu Riêng đối với Việt Nam là một nước đang phát triển, đời sống nhân dân còn nhiều khó khăn cộng với những vấn đề về môi trường nên nguồn năng lượng mới phải đáp ứng thêm hai yêu cầu sạch và rẽ tiền Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồnnăng lượng sinh khối (chất thải từ nông nghiệp, rác, nước thải đô thị ), phân bổ rộng khắp trên toàn quốc Một số dạng sinh khối có thể sản xuất điện hoặc áp dụng công nghệ đồng phát năng lượng (sản xuất cả điện và nhiệt) Lượng sinh khối khổng lồ này, nếu không được xử lý sẽ là nguồn ô nhiễm lớn và phát sinh liên tục, gây nên những ảnhhưởng nghiêm trọng đến các hệ sinh thái (đất, nước và không khí) cũng như sức khỏe con người Thêm vào đó, với sự phát triển sản xuất và đô thị hóa, sức chịu tải của các

hệ sinh thái giảm đi, chắc chắn các xung đột môi trường liên quan sẽ gia tăng

Do đó, vấn đề lớn đặt ra là làm sao xử lý được các chất thải sinh khối phát sinh trongmột thời gian ngắn nhất, đồng thời tận dụng hiệu quả năng lượng thu được từ quá trìnhxử lý này Câu trả lời tốt nhất cho vấn đề môi trường này là giải pháp công nghệ biogas

Ở quy mô lớn, sản phẩm Biogas khi được chuyển hóa thành điện năng có thể hòa vàomạng điện chung, sử dụng trong như tất cả các nghành sản xuất và sinh hoạt

Theo GS Pavel Jenicek, Đại học Công nghệ hóa Praha, Cộng hòa Séc, Việt Nam có rấtnhiều yếu tố thuận lợi để phát triển công nghệ biogas: "Việt Nam là nước nhiệt đới, nóng

ẩm quanh năm, thuận lợi cho các vi sinh vật sản xuất biogas phát triển Nguồn sinh khốidồi dào từ sản xuất nông nghiệp và bùn hữu cơ trong nước thải (organic sludge), ước tính

ít nhất 22 kg/người/ năm, chính là nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất biogas"

Bùn cặn từ quá trình xử lý nước thải kèm sản xuất biogas dùng làm phân bón cho nôngnghiệp

Việc sản xuất khí Biogas từ chất thải sinh khối tại Việt Nam đã đã có từ lâu và khôngphải là công nghệ mới Tuy nhiên, nó chỉ mới được ứng dụng một cách nhỏ lẻ, manhmún ở quy mô hộ gia đình, nhóm hộ gia đình gắn với mô hình kinh tế V.A.C hay một ởmột số trại chăn nuôi nhỏ

Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu tăng thị phần của năng lượng tái tạo trong tổngnăng lượng thương mại sơ cấp từ 3% năm 2010 lên 4.5% năm 2020 và 6% năm 2030.Tuy nhiên, để phát triển được công nghệ Biogas ở quy mô lớn, ứng dụng rộng rãi trên cảnước tạo ra sản lượng điện lớn, đủ để hòa chung với lưới điện quốc gia thì còn rất nhiềuviệc cần làm

Nhà nước cần tạo hành lang pháp lý, môi trường kinh doanh hấp dẫn, thu hút mọi thànhphần kinh tế, các nhà đầu tư trong và ngoài nước, từ đó hình thành thị trường cạnh tranhliên quan đến kinh doanh, xử lý chất thải và sản xuất biogas Các doanh nghiệp môitrường sẽ cạnh tranh nhau qua cơ chế đấu thầu để "được" xử lý chất thải Nhà nước sẽchỉ quản lý bằng các công cụ kinh tế, kiểm soát bằng các tiêu chuẩn môi trường sao chocác doanh nghiệp thu được lợi nhuận từ việc sản xuất biogas, môi trường được xử lý tốthơn với một chi phí thấp nhất

Điều kiện tiên quyết để xử lý tốt chất thải nói chung và sản xuất biogas nói riêng là phải

có hệ thống tập trung thu gom chất thải, từ đó có thể phân loại, xử lý và sản xuất biogas.Thực tế nước ta hiện nay ở phần lớn các đô thị như thị trấn, thị xã, huyện và nhiều thànhphố chưa có quy hoạch hay dành quỹ đất cho các công trình xử lý môi trường, trong khicác khu chung cư, đô thị mới được xây dựng ồ ạt, tùy hứng Đây là điều bất hợp lý, thểhiện việc quản lý đô thị theo tư duy nhiệm kỳ, thiếu tầm nhìn dài hạn Do đó, trong quyhoạch, cần phải dành một diện tích đủ lớn, ở vị trí thích hợp cho công trình xử lý chấtthải Nếu chưa đủ điều kiện triển khai, có thể để trống hay chỉ sử dụng vào các mục đíchngắn hạn, để khi triển khai sẽ không mất chi phí lớn cho đền bù giải tỏa Mặt khác, tácđộng ra môi trường xung quanh là điều khó tránh khỏi, ngay cả với những trạm xử lý kháhiện đại ở các nước phát triển nên nhất định phải có hoạch định trước để có hướng pháttriển các công trình lân cận trong tổng thể quy hoạch chung, tránh các xung đột môitrường phát sinh không đáng có trong tương lai Theo kinh nghiệm của các nước pháttriển, làm tốt được khâu quy hoạch trong đó có quy hoạch môi trường và đảm bảo duy trìtuân thủ đúng quy hoạch là yêu tố quyết định để phát triển đô thị bền vững Công nghệsản xuất biogas từ sinh khối không phải là công nghệ cao và khó nắm bắt, tiếp thu Tuynhiên, để có thể xử lý chất thải và sản xuất biogas ở quy mô lớn và đồng bộ thì trình độkhoa học trong nước và năng lực của các doanh nghiệp trong nước chưa đáp ứng đượcngay, trong khi đòi hỏi của thực tế rất cấp thiết Do đó, trước tiên, Việt Nam nên hợp tácvới công ty nước ngoài để tận dụng công nghệ và thiết bị mới, hiện đại, đồng bộ đã đượckiểm chứng, vận hành thành công tại các nước phát triển.

Bằng cách này, ban đầu sẽ xây dựng được các mô hình chuẩn về xử lý biogas, từ đó cóthể học hỏi nhằm đẩy mạnh năng lực nghiên cứu và sản xuất của các doanh nghiệp môitrường trong nước, tiến tới tự chủ, phát triển và ứng dụng phổ biến được công nghệ này Phân tích đặc điểm của nền kinh tế, và phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước,chúng ta nhận thấy Việt Nam là nước đang trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đạihoá có nền nông nghiệp phát triển Trong đó chăn nuôi quy mô lớn ngày càng phát triển,

vì thế số lượng chất thải vô cùng lớn Hiện nay người dân thường sử dụng phân chuồngbón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá, gia súc… Điều đó rất có hại cho môitrường và lãng phí bởi vì phân bò, phân heo khi cho ủ lên men trong điều kiện yếm khí

sẽ tạo ra một lượng khí mêtan (CH4) có thể dùng để đốt cháy như khí gas thiên nhiên

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Lý thuyết về biogas

2.1.1 Sơ lược về biogas

Biogas, còn được gọi là khí sinh học, được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 là sản phẩm thu được sau một loạt các quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện môi trường không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dưới tác dụng của các vi sinh vật kỵ khí Biogas chứa chủ yếu là mêtan (50 - 70%) và CO2 (25 -50%) và các tạp chất khác như H2S, CO, NOx…Trong đó mêtan (CH4) được mệnhdanh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao Một m3 CH4 khi đốt cháy toả ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 lít cồn; hay 9,7 kW điện [9]

Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì biogas mới bắt đầu được chú ý, do tình hình thiếu hụt năng lượng và xu hướng đi tìm nguồn năng lượng mới, trong đó sự phát triển khí sinh học từ hầm ủ được đặc biệt chú ý Tuy nhiên, đến những năm gần đây, túi ủ khí làm bằng nylon mới thực sự phát triển và được áp dụng rộng rãi trên cả nước

Ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt nguồn nước thải trong chăn nuôi, cung cấp nước tưới sạch

và phân bón tốt cho trồng trọt Bên cạnh đó, người dân có thể tận dụng nguồn khí mêtan làm khí đốt cho gia đình cũng như làm nguồn nhiên liệu cho các động cơ nhỏ như: máy phát điện, mô tơ…góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông

Biogas là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau gồm mêtan (CH4), cacbon dioxit (CO2), hydro sulfit (H2S), nitơ (N2), và một lượng nhỏ các tạp khí khác Hỗn hợp các loại khí trên sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm khí [2]

Chất khác < 1 % thể tích

2.1.2 Các sản phẩm của hệ thống biogas

2.1.2.1 Khí đốt

Thành phần khí đốt của hệ thống biogas bao gồm 60 - 70% CH4; 25 - 40% CO2

là một nguồn nguyên liệu mới thay thế cho than, củi, dầu… không để lại muội than hoặc tro bếp nên việc làm vệ sinh dụng cụ nấu nướng cũng dễ dàng hơn, nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người Khí biogas cháy hoàn toàn và có hiệu suất cao hơn trong các lò đốt dầu tạo nhiệt, bởi vì nhiên liệu dầu đốt lò cần phải phun dầu trước khi đốt Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong lúc của khí mêtan là 35,9 MJ/m3 Như vậy 1,1 m3 mêtan có thể thay thế 1 lít dầu HFO.Tuy nhiên, trong thực tế do hiệu suất đốt lớn hơn trong lò đốt dầu nên chỉ cần 1 m3mêtan là đủ thay thế cho 1 lít dầu HFO [7]

2.1.2.2 Phân bón

Thành phần của cặn nước thải sau khi qua hệ thống biogas có các chất dinh dưỡng thấp hơn được dùng làm phân bón hoặc làm thức ăn cho cá Đặc biệt theo một

số nghiên cứu cho thấy số lượng ấu trùng và giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi, do

đó an toàn hơn khi dùng nước thải này để tưới cây

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

Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí

và các chất khác

Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung gian nhờ sự hoạt động của nhiều chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân hủy protêin, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi,methylamin, cùng các chất độc hại như tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như indole, scatole Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được bởi vi khuẩn yếm khí như lignin

Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4 2.1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas

2.1.4.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối

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 oxy sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn

2.1.4.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ cũng làm thay đổi quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi sinh vật yếm khí rất nhạy cảm với nhiệt độ Chúng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 310C -360C, dưới 100C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến 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 200C - 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động Nhóm vi khuẩn sinh khí mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ Nhiệt độ thay đổi cho phép hằng ngày là 10C (UBKHKT Đồng Nai - 1989)

2.1.4.3 Ẩm độ

Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo

ra ít Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %

2.1.4.4 pH

pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí mêtan Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991)

2.1.4.5 Thời gian ủ

Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra Với nhiệt độ, độ pha loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày

(UBKHKT Đồng Nai, 1989)

2.1.4.6 Hàm lượng chất rắn

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

(UBKHKT Đồng Nai,1989)

2.1.4.7 Thành phần dinh dưỡng

Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Thành phần chính của nguyên liệu là cacbon (ở dạng cacbonhydrate, tạo năng lượng) và nitơ (ở dạng nitrate, protein, amoniac tham gia vào 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 tỉ lệ C/N Tỉ lệ thích hợp là từ 25/1 - 30/1 (UBKHKT Đồng Nai, 1989)

Bảng 2.2 Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí

Nhiệt độTiến trình mesophylic 950F

Tiến trình Thermophylic 1300F

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng 0,15 - 0,35 Ib VS/ft3/d

2.1.4.8 Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men

Vi khuẩn sinh mêtan rất 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 có khả năng ức chế quá trình lên men của vi sinh vật kỵ khí

Bảng 2.3 Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí [2]

2.1.5 Ảnh hưởng của biogas đến môi trường

2.1.5.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn

Các thiết bị khí sinh học gia đình thường được nối với nhà xí Phân người và động vật được đưa vào đây để xử lý nên hạn chế mùi hôi thối, ruồi nhặng không có chỗ để phát triển nên hạn chế bớt những dịch bệnh truyền nhiễm như sốt xuất huyết, dịch tả…

Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt lượng chất thải của gia súc Nó làm giảm đáng

kể những mầm bệnh, lượng vi sinh vật có trong chất thải vật nuôi Khi chất thải được xử lý bằng biogas mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt đáng kể (Ủy Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989)

Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas

(Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994 Trích dẫn Nguyễn Thị Hà Mỹ, 2002)Chỉ tiêu Trước khi xử lý Sau khi xử lý

2.1.5.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố

Xử lý kỵ khí ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ caonhư rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các nhà máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn, không tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục

vụ chạy máy phát điện Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục được ô nhiễm do nước rác thấm vào đất

2.1.5.3 Giảm phát thải khí nhà kính

thu lại làm nhiên liệu Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic Một tấn mêtan sẽ chuyển hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà kính giảm đi 7,6 lần Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là nguồn hấp thụ cacbonic cũng như chống xói mòn bảo vệ đất [7].

Lượng CO2 này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật Chất thải thu được từ động vật chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas Lượng nước thải sau khi xử lý bằng hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộđộc cho con người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cảđược thể hiện qua sơ đồ 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ chu chuyển CO 2 2.1.6 Tính chất của khí biogas

2.1.6.1 Tính chất vật lý

Nhiệt trị 4 - 8 kWh/m3Khối lượng riêng 1,2 kg/m3Nhiệt độ bắt lửa 7000CThể tích tăng khi cháy 6 - 12 %

2.1.6.2 Tính chất hoá học của khí biogas

Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từngchất có trong thành phần biogas

 Mêtan(CH4)

Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1.

 Tính chất vật lý