Tổng hợp biogas từ rác thải hữu cơ để chiếu sáng trong công viên

Tổng quan công nghệ Biogas trong nông nghiệp các phân từ các chuồng nuôi gia súc ở Paris để sản xuất khí đốt giúp chiếu sáng đƣờng phố S2 – VIE22 do Viện chăn nuôi Quốc gia, Hội làm vƣờn Trung ƣơng (VACVINA), cục ..... Thời gian phân hủy của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI:

TỔNG HỢP BIOGAS TỪ RÁC THẢI HỮU

CƠ ĐỂ CHIẾU SÁNG TRONG CÔNG VIÊN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : ThS Diệp Khanh

LỚP : DH11H1

SINH VIÊN THỰC HIỆN : Vũ Văn Phúc

Đặng Thị ThơmDương Minh TạoHuỳnh Minh Tuân

Lê Thanh Tuân

Vũng Tàu, tháng 12 năm 2014

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI:

TỔNG HỢP BIOGAS TỪ RÁC THẢI HỮU

CƠ ĐỂ CHIẾU SÁNG TRONG CÔNG VIÊN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : ThS Diệp Khanh

LỚP : DH11H1

SINH VIÊN THỰC HIỆN : Vũ Văn Phúc

Đặng Thị ThơmDương Minh TạoHuỳnh Minh Tuân

Lê Thanh Tuân

Vũng Tàu, tháng 12 năm 2014

-o0o -NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên : Vũ Văn Phúc

Đặng Thị ThơmDương Minh Tạo Huỳnh Minh Tuân

Lê Thanh Tuân

Lớp: DH11H1

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1 Nhiệm vụ đồ án:

Tổng hợp Biogas từ rác thải hữu cơ để chiếu sáng trong công viên

2 Giảng viên hướng dẫn: ThS Diệp Khanh

3 Ngày giao nhiệm vụ: 15/10/2014

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/12/2014

Vũng tàu, ngày 8 tháng 12 năm 2014

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014

Người nhận xét

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

…

Vũng Tàu, ngày 8 tháng 12 năm 2014

và Công Nghệ Thực Phẩm - Trường đại học Bà Rịa Vũng Tàu cùng toàn thểquý thầy, cô đang công tác tại trường đã tạo điều kiện cho chúng tôi có cơ hội

để ứng dụng kiến thức vào một quy trình công nghệ Chúng tôi xin chân thànhcảm ơn thầy ThS Lê Diệp Khanh đã tận tình hướng dẫn chúng tôi hoàn thành

đồ án này Chúng tôi cũng xin gửi lời biết ơn đến gia đình chúng tôi đã luônđộng viên và là chỗ dựa vững chắc để chúng tôi vượt qua khó khăn đi đếnhoàn thành đồ án công nghệ này Đồng thời, chúng tôi xin gửi lời cảm lời cảm

ơn đến các bạn đang học tại lớp DH11H1 đã có những đóng góp, nhận xét đểbài đồ án công nghệ được hoàn chỉnh hơn

Cuối cùng chúng tôi xin chúc cho tất cả quý thầy cô đang công tác tạitrường đại hoc Bà Rịa – Vũng Tàu nói chung và toàn thể quý thầy, cô đangcông tác tại Khoa hóa và Công Nghệ Thực Phẩm – Trường đại học Bà Rịa-Vũng tàu nói riêng có sức khỏe tốt để tiếp tục sự nghiệp giáo dục, xin chúcquý thầy cô luôn hạnh phúc và thành công trong sự nghiệp giảng dạy Chúngtôi cũng chân thành chúc cho gia đình chúng tôi- những người thân yêu nhấtsức khỏe luôn tốt đê tiếp tục là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho chúng tôi.Chúng cùng chúng tôi xin chúc cho tất cả các bạn đang học tại lớp DH11H1luôn luôn có sức khỏe và bảo vệ thành công đồ án này!

Vũng Tàu, ngày 08 tháng 12 năm 2014

Những người thực hiện:

Vũ Văn PhúcĐặng Thị ThơmDương Minh TạoHuỳnh Minh Tuân

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời buổi kinh tế phát triển như hiện nay thì vấn đề về nguyên,nhiên liệu và ô nhiễm môi trường luôn là các vấn đề trọng điểm của xã hội.Rất nhiều công trình nghiên cứu đã được đưa ra nhằm khắc phục tình trạng ônhiễm môi trường và tìm ra nguồn nguyên, nhiên liệu thay thế Chúng tôicũng vậy, với tình thần và trách nhiệm của sinh viên đại học, chúng tôi cũng

cố gắng tìm hiểu và vận dụng kiến thức của mình cùng với sự hướng dẫn tậntình của các thầy, cô trong khoa Hóa và Công nghệ thực Phẩm – trường đạihọc Bà Rịa – Vũng Tàu đề xuất quy trình tổng hợp Biogas từ rác thải hữu cơ

để chiếu sáng trong công viên

Đề tài:” Tổng hợp Biogas từ rác thải hữu cơ để chiếu sáng trong công viên” cho chúng tôi cái nhìn tổng quát về Biogas, giúp chúng tôi có thể giải

quyết được các vấn đề về ô nhiễm môi trường từ rác thải, tiết kiệm nguồnnăng lượng điện quốc gia và tận dụng Biogas làm nhiên liệu thắp sáng Đồngthời, chúng tôi còn thu hồi được phân Compost từ bã thải của quá trình để làmnguồn nguyên liệu cho nông nghiệp Đề tài của chúng tôi nội dung chính gồm

3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Chương 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

Chương 3: KẾT LUẬN

Trong quá trình làm đồ án này, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng kinhnghiệm và kiến thức của chúng tôi có hạn nên không tránh khỏi những saixót, nhóm chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô

và các bạn đề bài đồ án công nghệ này được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Biogas

1.1.1 Giới thiệu Biogas

a Khái niệm về Biogas [1]

Biogas là sản phẩm khí của quá trình lên men kị khí phân giải các hợpchất hữu cơ phức tạp thành những hợp chất hữu cơ đơn giản trong đó có sảnphẩm chính mà chúng ta cần là khí Metan, khí này có thể sử dụng như mộtloại nhiên liệu dùng để sinh nhiệt, thành phần chủ yếu của biogas gồm: CH4(40-70%), CO2 (35-40%) và các khí khác với hàm lượng thấp như H2S, CO,N2, O2…

Khí CH4 là 1 chất khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí Khiđốt hoàn toàn 1m3 khí CH4 cho ra khoảng 5500 – 6000 kcal, tương đương với0,5 – 0,7 lít dầu diesel Ở qui mô nhỏ, biogas có thể được sử dụng trực tiếplàm nhiên liệu đốt nóng, đun nấu Ở qui mô lớn hơn, biogas có thể được sửdụng trực tiếp làm nhiên liệu để chạy động cơ, phát điện Tuy nhiên, để sửdụng được với qui mô công nghiệp, biogas cần phải được lọc sạch các tạpchất, đặc biệt là Hydro sulfide và Siloxane H2S và SiO2 có thể ăn mòn kimloại, phá hủy máy móc

Tính chất của biogas phụ thuộc vào thành phần các chất khí trong nó.Thành phần chủ yếu của biogas là CH4 và CO2 nên tính chất của nó phụ thuộcvào tính chất của 2 chất khí này

Với tỉ lệ phổ biến của biogas là 60% CH4 và 40% CO2 thì khối lượngriêng của biogas là 1,2196kg/m3, nhiệt trị là 8,576Kcal/m3, tỷ trọng so vớikhông khí là 0,94 Như vậy, biogas nhẹ hơn không khí

b Nguồn nguyên liệu và các yếu tố ảnh hưởng [2]

- Nguồn nguyên liệu

Nói chung, các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm

nguyên liệu nạp cho các thiết bị khí sinh học Các nguyên liệu này có thể được chia thành hai loại: Nguyên liệu có nguồn gốc động vật và nguyên liệu

có nguồn gốc thực vật

+ Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật:

Thuộc loại này là các loại phân như: Phân người, phân gia súc, giacầm,…các bộ phận của cơ thể động vật như xác động vật chết, rác và nướcthải các lò mổ, cơ sở chế biến thủy, hải sản… Vì được xử trong bộ máy tiêuhóa nên dễ phân hủy và nhanh chóng cho khí sinh học Tuy vậy, thời gianphân hủy của các loại phân không dài (2-3 tháng) và tổng lượng khí thu được

từ 1kg phân là không lớn Phân trâu, bò, lợn phân hủy nhanh hơn Phân người

và phân gà vịt phân hủy chậm hơn nhưng cho năng suất cao hơn Sản lượngphân trên một đầu gia xúc phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và chế độ dinhdưỡng Nhìn chung, hàm lượng chất khô của các loại phân tươi vào khoảng20%, còn lại là nước Các loại phân thường giàu Nitơ, hiệu suất sinh khí củacác loại phân tính cho chất khô nằm trong khoảng từ 0,2-0,3 m3/kg/ngày vàhàm lượng Metan của khí sinh học sản xuất từ phân chiếm khoảng 50-70%

+ Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật:

Các nguyên liệu thực vật gồm phụ phẩm cây trồng như: rơm rạ, thân

lá ngô, khoai đậu,…rác sinh hoạt hữu cơ như: rau, quả, lương thực bỏ đi, vàloại cây xanh hoang dại như: Bèo, các cây cỏ sống dưới nước,…Các nguyênliệu thực vật có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy Vì vậy, nguyên liệu càng giàcàng khó phân hủy Để cho quá trình phân hủy được thuận lợi, những nguyênliệu thực vật cần được xử lý sơ bộ (chặt, băm, đập nhỏ và ủ sơ bộ) mục đíchcủa công việc này là để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tích bề mặt cho vi

khuẩn tấn công Quá trình phân hủy của nguyên liệu thực vật thường dài hơn

so với các loại phân (có thể kéo dài hàng năm) Do vậy, nguyên liệu thực vậtnên sử dụng theo cách nạp từng mẻ nhỏ, mỗi mẻ kéo dài từ 3-6 tháng

Đối với đề tài “Tổng hợp Biogas từ rác thải hữu cơ để chiếu sáng trong công viên” thì nguyên liệu sử dụng là rác thải sinh hoạt

Trong thực tế, sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị khí sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân hủytrong một thời gian nhất định và chưa phân hủy hoàn toàn Bảng dưới đây, cho chúng ta số liệu tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp Sản lượng khí hàng ngày được tính theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày

(lít/kg/ngày) Phân động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàngngày Thực vật được nạp từng mẻ

Bảng 1.1 Đặc tính và lượng khí sinh ra của một số nguyên liệu

Nguyên liệu

Hàmlượngchất khô(%)

Lượngthải hằngngày (kg)

Tỉ lệcacbon/Nitơ

Sản lượngkhí hằngngày (l/kg)

Tổnglượng khíchol/ngàytính trungbình/conPhân bò

15-2018-251,2-40,02-0,050,18-0,34

24-2524-2512-135-152,9-1012-25

15-3215-3240-6050-6060-700,3-0,5

4704701301,92516,9

Bèo tây tươi

+ Điều kiện yếm khí: Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trìnhphân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí trong hầm ủ rất nhạycảm với oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khíyếu hay ngừng hẳn

+ Nhiệt độ: Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vikhuẩn sinh khí methane: Một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động

từ 20-450C, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng trên 450C Nhiệt

độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai Sự thay đổi độtngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methanerất nhạy cảm với nhiệt độ, biên độ nhiệt độ thay đổi cho phép là 100C trongmỗi ngày Nhiệt độ dưới 100C làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ khôngđược sinh ra hoặc rất ít Ở Việt Nam, nhiệt độ trung bình từ 18 – 320C là thuậnlợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí methane

+ Độ pH: pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vikhuẩn 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 động của nhóm vi khuẩn giảmnhanh

+ Thành phần dinh dưỡng (hàm lượng chất khô): Để đảm bảo quátrình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho

sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyênliệu phải cấp là C và N; với cacbon ở dạng là Carbohyrat, còn nitơ ở dạngnitrate, protein, amoniac Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cầnphải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinhdưỡng cho hoạt động sống của snh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượngcòn 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 xảy ra tốt.

+ Tỉ lệ phân/nước: Nếu phân quá loãng thì lượng phân không đủ đểphân hủy, ngược lại dịch phân quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trìnhthoát khí Tốt nhất cho sự phân hủy biến thiên từ 1/3 hoặc 1/4 đến 1/7 Dịchthải ra tốt có màu đen sậm Nước thải sau quá trình phân hủy trong công nghệhầm ủ biogas sẽ giảm mùi hôi, không thấy ruồi nhặng đeo bám tiêu diệt mầmbệnh, nhất là ký sinh trùng và các bệnh lây lan khác

+ Thời gian lưu ủ nguyên liệu trong hầm biogas ở môi trường nước tanên tuân thủ theo mốc: Khi nhiệt độ 10-150C cần 55 ngày; nhiệt độ 15-200Ccần 40 ngày; khi nhiệt độ trên 200C thì chỉ cần 30 ngày để nguyên liệu phângiải sinh ra khí Do môi trường sản sinh ra khí sinh học rất khắt khe, dị ứngvới nhiều loại hóa chất mà ta thường gọi là độc tố nên người vận hành hầmbiogas cần lưu ý tránh những chất thải có chứa thuốc sâu, thuốc diệt cỏ, sáttrùng, kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn… có nhiều trongquá trình sinh hoạt, tẩy rửa chuồng trại theo nguyên liệu nạp vào hầm biogaslàm ảnh hưởng đến quá trình phân giải sản sinh ra khí Metan

c Lợi ích của biogas mang lại [4]

Đối với nước ta, công nghệ biogas được phát triển các đây không lâu,khoảng thập niên 60 Kể từ đó công nghệ này luôn được cải tiến và ứng dụngrộng rãi ở những quy mô khác nhau Công nghệ này đã và đang đem lại

những hiệu quả đáng mừng về kinh tế, xã hội và môi trường cho người dân.Theo “Báo cáo khảo sát người sử dụng khí sinh học năm 2006” lợi ích củacông trình khí sinh học đối với cuộc sống người dân được thể hiện ở các mặt:

- Về kinh tế: Việc phát triển khí sinh học là một bước tiến quan trọng để

tiến tới giải quyết vấn đề thiếu chất đốt ở nông thôn Việc sử dụng biogas, mộtchất đốt thu được từ các nguồi sinh vật dồi dào trong tự nhiên, là một nguồnthay thế cho các nguyên liệu rắn như than và củi đã mang lại một sự thay đổi

cơ bản trong lịch sử chất đốt đối với các vùng nông thôn Trước khi có côngtrình khí sinh học, hầu hết các hộ gia đình đều sử dụng loại nhiên liệu phổbiến là điện, củi, rơm rạ, trấu, than và khí hóa lỏng Sau khi các hộ gia đìnhnày xây dựng công trình khí sinh học, việc thay thế các loại nhiên liệu thườngdùng thay đổi khá rõ rệt Cụ thể, số hộ sử dụng củi giảm 70%, số hộ sử dụngthan giảm 47%, số hộ sử dụng rơm, trấu giảm 49% và số hộ sử dụng khí hóalỏng giảm 11,5% Căn cứ vào loại, số lượng nhiên liệu được thay thế và giá cảmua bán thì mức độ tiết kiệm nhiên liệu bình quân đối với mỗi hộ gia đìnhước tính từ 85.000 – 95.000 đồng/tháng Đặc biệt, đối với những hộ gia đình

sử dụng khí sinh học thay thế hoàn toàn nhiên liệu khác trong việc đun nấu thìtiết kiệm được khoảng 100.000 đồng/tháng Bên cạnh đó, việc sử dụng phụphẩm khí sinh học giúp giảm chi phí mua phân bón cho cây trồng Chi phímua phân bón hóa học cho cây trồng của hộ gia đình sau khi có công trình khísinh học giảm đi đáng kể (từ khoảng 18-30%) so với trước khi có công trìnhkhí sinh học Nhìn chung, việc sử dụng phụ phẩm khí sinh học không nhữngtăng năng suất cây trồng, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn gópphần giảm việc sử dụng các loại thuốc trừ sâu và phân bón hóa học

- Về xã hội: Đối với các gia đình nông thôn, trước khi có công trình khí

sinh học, hộ dân thường dùng củi, rơm rạ, than hoặc khí hóa lỏng để đun nấu

Để có được những nguyên liệu này, hộ dân thường phải đi tìm kiếm, nhặt

nhạnh hoặc tìm mua Sau khi có công trình khí sinh học, hộ dân đã gần như sửdụng khí sinh học để thay thế hoàn toàn cho các nhiên liệu phục vụ cho hoạtđộng đun nấu trước đây Mỗi hộ dân có thể tiết kiệm 3-4 giờ/tuần cho việc tìmkiếm hoặc mua các nhiên liệu Ngoài ra, việc sử dụng khí sinh học trong đunnấu thuận tiện và sạch sẽ cũng góp phần giải phóng phụ nữ khỏi gánh nặngvất vả của công việc nội trợ và kiếm củi, tiết kiệm thời gian cho các công việckhác và nghỉ ngơi Chính vì thế, xây dựng công trình khí sinh học trực tiếpmang lại cuộc sống tiện nghi cho người dân như: sử dụng chất đốt có chấtlượng cao, khu công trình phụ, chuồng trại vệ sinh sạch đẹp,…

- Về môi trường: Phát triển chương trình biogas cũng là con đường hiệu

quả để giải quyết vấn đề phân bón và cải thiện vệ sinh môi trường, tiêu chuẩnsức khỏe ở nông thôn Nó là biện pháp để thủ tiêu các trứng sán, giun và cácloại ký sinh trùng khác sống trong mọi loại phân Thu gom tất cả các phânthải của gia súc và người vào một hầm biogas là cách giải quyết vấn đề chấtthải tốt nhất

Trước khi có công trình khí sinh học thì 54% hộ gia đình có thói quen ủ phântrước khi bón cho cây trồng, 16% hộ dân bón phân chuồng trực tiếp cho cây

và 15% hộ gia đình đổ trực tiếp chất thải chăn nuôi ra cống rãnh hoặc mươngthoát nước Cách giải quyết chất thải vật nuôi như trên đã tác động xấu đếnmôi trường sống, gây ra mùi hôi thối quan khu vực sống và ảnh hưởng đếnnhững hộ dân bên cạnh Sau khi có công trình khí sinh học, 72% lượng chấtthải vật nuôi được nạp vào công trình khí sinh học, 20% hộ gia đình sử dụngsau khi ủ phân, 4,8% lượng chất thải vật nuôi được các hộ gia đình bán hoặccho hàng xóm và chỉ còn 2,1% lượng chất thải vật nuôi được thải trực tiếpvào cống rãnh Tóm lại, việc sử dụng các công trình khí sinh học góp phầnquan trọng giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi Phụ phẩmkhí sinh học được sử dụng làm phân bón cho đồng ruộng và hoa màu có tác

dụng cải tạo đất, nâng cao độ phì chống bạc màu và xói mòn đất, góp phầnbảo vệ và cải tạo nguồn tài nguyên đất canh tác, giúp cho cây trồng tăng sảnlượng từ 20-30% Thêm vào đó, sử dụng khí sinh học làm chất đốt nhằm gảmthiêu thụ gỗ củi phục vụ các mục đích khác nhau và cũng góp phần giảm cácbệnh về mắt và phổi do khói bụi gây ra khi đun nấu.

d Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước [5]

- Tình hình nghiên cứu của thế giới:

Công nghệ biến đổi các chất hữu cơ thành KSH đã có từ hàng trăm nămnay Theo huyền thoại, KSH đã được dùng để đun nước tắm ở Assyri trongthế kỷ thứ X trước CN và ở Ba Tư trong thế kỷ thứ XVI Người đầu tiên pháthiện thấy sự phát ra loại khí cháy được từ các chất hữu cơ thối rữa là VanHelmont (1630) Shirley (l667) cũng đã nói đến khí đầm lầy Volta (1776) đãtiến hành một loạt quan sát và kết luận rằng lượng khí đầm lầy được sinh raphụ thuộc vào lượng thực vật thối rữa trong lớp lắng đọng ở đáy mà từ đó khínổi lên và với một tỷ lệ nhất định, hỗn hợp khí thu được và không khí có thể

nổ

Trong những năm 1804 – 1810: Dalton, Henry và Davy đã thiết lậpđược công thức hoá học của Metan, khẳng định rằng khí than đá rất giống khíđầm lầy của Volla và chỉ ra rằng Metan được sinh ra từ sự phân rã của phân

bò France đã được cấp chứng chỉ vì đã có một trong những đóng góp quantrọng cho việc xử lý các chất rắn lơ lửng trong nước thải

Cuối thế kỷ 19, sự sản sinh ra Metan đã được phát hiện là có liên quanvới hoạt động của các vi sinh vật Bunsen (1856), Hoppe Seyler (1886),Bechamp (l868), Tappeiner (1882) và Gayon (1884) đã tiến hành nghiêncứu về các khía cạnh vi sinh vật học của quá trình sản sinh Metan Bechamp(1868) đã đặt tên cho "sinh vật" chịu trách nhiệm về sự sản sinh ra Metan từ

etanol Sinh vật này dường như là một quần thể hỗn hợp vì Bechamp đã cóthể chỉ ra rằng những sản phẩm lên men khác nhau đã hình thành từ những cơchất khác nhau.

Năm 1875, Popoff trình diễn sự sản sinh ra hydro và Metan từ sự lênmen của các nguyên liệu chứa xenlulo được bổ sung thêm bùn sông Năm

1876, Herter báo cáo rằng axetat ở bùn cống đã biến đổi thành Metan vàcacbon dioxit Gayon (một học trò của Pasteur) đã cho lên men phân ở 350C

và thu được 100 lít Metan đối với 1 m3 phân Ông kết luận rằng: “Sự lên men

có thể là một nguồn cung cấp khí để sưởi ấm và thắp sáng” Năm 1884,Pasteur đã trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Paris những phát hiện thựcnghiệm của Gayon Việc sử dụng khí thu được lần đầu tiên được thực hiệnvào năm 1859 khi một bể phân huỷ Metan được xây dựng tại Bombay (ẤnĐộ) để xử lý chất thải của người và khí sinh ra đã được dùng để thắp sáng.Năm 1895 (Anh quốc), Cameron trình diễn việc dùng KSH để thắp sáng.Năm 1986, khí từ hệ thống cống được dùng để thắp sáng các phố ở Exeter(Anh quốc) Về mặt vi sinh vật học, năm 1901: Schengon đã mô tả những đặcđiểm hình thái của vi khuẩn Metan Năm 1906, Sohngen làm giàu được 2 vikhuẩn sử dụng acetate khác nhau và phát hiện thấy focmat và hydro cùngcarbon dioxit có thể đóng vai như những tiền chất cho Metan Một chủng vikhuẩn Metan đã được Omelianskii phân lập năm 1916 Năm 1950, Hungate

đã thiết lập kỹ thuật kỵ khí do Bryant phát triển Schnellen (1947) phân lậpđược hai vi khuẩn Metan: Methanosarcina barkeri và Methanobacteriumformicicum Năm 1967, Bryant đã thuần chủng được vi khuẩnMethanobacillus omehanskii Cuối những năm 1920, những nghiên cứu hoásinh về sự phân huỷ kỵ khí đã được tăng cường Buswell đã bắt đầu nghiêncứu và giải thích những vấn đề như vai trò của nitơ trong quá trình phân huỷ

kỵ khí, hoá học lượng pháp của phản ứng, việc sản xuất năng lượng từ những

chất thải của các trang trại và ứng dụng quá trình này cho các chất thải côngnghiệp Những nghiên cứu của Barker đã đóng góp quan trọng cho hiểu biếtcủa chúng ta về các vi khuẩn Metan và những Cultua được làm giàu của ônggiúp ông thực hiện được những nghiên cứu cơ bản về hoá sinh (1956) Trongnhững năm gần đây, phân huỷ kỵ khí đã phát triển từ một kỹ thuật biến đổisinh khối tương đối đơn giản, với mục đích chủ yếu là sản xuất năng lượng,thành một hệ thống đa chức năng:

- Xử lý các chất thải hữu cơ và nước thải với phạm vi tải lượng hữu cơ

và nồng độ cơ chất rộng

- Sản xuất và sử dụng năng lượng

- Cải thiện vệ sinh, giảm mùi hôi thối

- Sản xuất phân bón chất lượng cao

Hoạt động nghiên cứu chuyển từ những nghiên cứu cơ bản về quá trìnhphân huỷ kỵ khí của các cơ chất tương đối đồng nhất với hàm lượng chất rắnhữu cơ trong giới hạn khoảng 5 – 10% sang sự phân huỷ của những nguyênliệu phức tạp hơn đòi hỏi những kiểu bể phân huỷ cải tiến hiệu quả hơn Côngnghệ phân huỷ kỵ khí đã được phát triển rộng lớn ở cả các nước công nghiệp(Đức, Đan mạch, Pháp ) và các nước đang phát triển (Trung Quốc, Ấn Độ )với đa chức năng như trên

Hình 1.1 Thùng chứa biogas trong công viên ở Mỹ

Công viên này đã giới thiệu loại thùng chứa biogas Spark trong tuần này.Hiện dự án này mới chỉ mới cung cấp điện năng cho đèn đường Trang webchính thức của dự án này tuyên bố, chiếc thùng này có thể thay thế thùng rác

và biến rác thành nhiên liệu một cách dễ dàng Chỉ cần những người dân trongthành phố nuôi chó, chỉ cần họ bỏ phân chó vào thùng chứa Biogas thì nguồnnhiêu liệu sạch từ phân chó sẽ là vô tận Dự án này gồm 3 bước cơ bản: Trướctiên là vứt phân chó vào thùng Biogas sau đó vi khuẩn kỵ khí sẽ bắt đầu phânhủy phân, đảo đều hỗn hợp để làm tăng hàm lượng khí Metan, cuối cùng thuhồi khí Metan và dùng để thắp sáng Người nuôi chó sau khi dùng túi tự phânhủy để đựng phân chó có thể vứt phân chó vào thùng Biogas sau đó dùng gậy

để đảo Thùng đựng vi khuẩn được chôn dưới đất và đưa khí Metan lên cộtđèn qua một đoạn ống và khí Metan sẽ được đốt cháy để thắp sáng [6]

- Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam:

+ Thời kì 1960 – 1975:

• Miền Bắc: Nhiều người đã chú ý đến thông tin về công nghệ KSH.Tài liệu dịch "Cách sinh hơi mê tan nhân tạo và lấy hơi mê tan tựnhiên" được Bộ Công Nghiệp xuất bản năm 1960 Một số cá nhân

và tổ chức, đã xây thử một số công trình ở vài nơi như Hà Nội, BắcThái (xây "Xưởng phát điện mê tan" đầu tiên của Việt Nam năm1964), Hà Nam Ninh, Hải Hưng nhưng đều bị ngừng hoạt động vì lí

do kỹ thuật

• Miền Nam: Năm 1960, Nhà Khảo cứu Nông lâm và gia súc đãnghiên cứu sản xuất khí mê tan từ phân động vật, nhưng không ứngdụng triển khai được vì khí hoá lỏng và phân bón vô cơ được nhậpkhẩu ồ ạt Một số công trình đã xây dựng cũng không được duy trì

hoạt động Từ cuối những năm 60 đến đầu những năm 70, côngnghệ KSH gần như bị lãng quên.

+ Thời kì 1976 -1980:

• Năm 1975, Việt Nam thống nhất, Nhà nước đã chú ý tới nguồn nănglượng tái tạo "Đề án sử dụng KSH ở Việt Nam" (1976) đề tài cấpnhà nước "Nghiên cứu ứng dụng hầm ủ lên men sinh khí mê tan" đãkhởi động hoạt động nghiên cứu triển khai công nghệ KSH Thiết kếban đầu được chọn thử nghiệm là loại nắp nổi bằng tôn, bể phân huỷxây gạch, được xây dựng ở Bắc Thái và Hà Bắc (1977 – 1978)

• Những công trình loại này đã bị bỏ dở do khả năng kỹ thuật và quản

lý Cuối năm 1979 xây dựng thành công công trình nắp nổi có Thểtích phân huỷ Vd = 27 m3 ở nông trường Sao Đỏ (Mộc Châu, SơnLa), đã đặt cơ sở cho việc triển khai sau này Nhiều Viện nghiêncứu, Ban KHKT và nhiều tổ chức, cá nhân cũng đã tiến hành thiết

kế xây dựng, nhưng kết quả rất hạn chế Tháng 12/1979, UBKHKTNhà nước đã tổ chức "Hội nghị chuyên đề về bể khí sinh học" để sơ

kết công tác thiết kế, xây dựng, vận hành thí điểm một số bể KSH

đỡ và hợp tác nghiên cứu, triển khai công nghệ KSH: Viện Sinh lý –

Sinh hoá – Vi sinh vật (Liên xô cũ), Tổ chức OXFAM (Anh),UNICEF (Liên hợp quốc), ACCT (Tổ chức các nước nói tiếngPháp), SIDA (Thuỵ Điển)…

• Hội thảo quốc gia lần thứ nhất về KSH được tổ chức vào năm 1990của chương trình nhà nước về năng lượng mới đã đánh dấu bướcphát triển kỹ thuật KSH của Việt Nam trong nghiên cứu và triểnkhai Đến năm 1990, có khoảng 2000 công trình KSH trên toànquốc cỡ từ 2m3 – 200m3 nhưng đa số là cỡ gia đình từ 2m3 –10m3(TP Hồ Chí Minh – 700, Đồng Nai – 468, Hậu Giang – 43).+ Thời kỳ 1991 đến nay:

• Sau năm 1990, chương trình “Năng Lượng Mới” kết thúc ViệnNăng lượng vẫn tiếp tục hoạt động nghiên cứu – triển khai về sửdụng KSH để phát điện, bảo quản rau quả, xử lý nước thải côngnghiệp Từ 1993 đến năm 2001, công nghệ KSH đã phát triển mạnhtrong khuôn khổ các dự án về vệ sinh môi trường, nông nghiệp vàphát triển nông thôn Giai đoạn này không có tổ chức đầu mối quốcgia, nên sự phát triển KSH có phần vô tổ chức Đến tháng 03/2002,

Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn đã ban hành tiêu chuẩnngành về công trình KSH nhỏ dự án "Hỗ trợ chương trình KSH chongành chăn nuôi ở một số tỉnh Việt Nam" được triển khai ở 12 tỉnh,

do chính phủ Hà Lan tài trợ không hoàn lại với tổng giá trị 2 triệuUSD Đây là dự án lớn nhất trong số các dự án được tài trợ cùngloại được triển khai (02/2003 – 0l/2006) Dự án được triển khai mộtcách khoa học, tổ chức nhiều lớp tập huấn cho kỹ thuật viên và thợxây về công nghệ KSH Dự án đã thu được kết quả rất khả quan.Nhiều hộ dân đã tự nguyện bỏ tiền để xây dựng công trình KSH do

tính hiệu quả của nó về mặt năng lượng, vệ sinh môi trường, nângcao năng suất cây trồng, tăng thu nhập

• Giai đoạn 2 của dự án sẽ được tiếp nối đến năm 2011 trên khắp cáctỉnh của Việt Nam Thiết kế được lựa chọn trong dự án này là kiểunắp cố định dạng vòm cầu xây gạch kiểu KT.1 và KT.2 vì những ưuđiểm nổi bật của nó Tính đến nay, tổng số công trình các loại đanghoạt động trên toàn quốc là gần 73.000 Trong đó, dạng túi nilon cógần 32.000 (Kiên Giang – 8.000, Đồng Nai – 6.500, Tiền Giang –

5000, Đắc Lắc – 3000 túi…)

Hiện nay, theo tìm hiểu của nhóm thì việc ứng dụng Biogas để thắpsáng đèn cho nhà hàng ở Việt Nam chưa có Nhóm hy vọng ứng dụng này củaBiogas sẽ được phát triển rộng rãi ở Việt Nam trong những năm sắp tới

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

a Quá trình hình thành khí [1]

Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khí các chất hữu

cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được : H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,…trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạoMetan )

- Quá trình hình thành khí trong hầm Biogas trải qua ba giai đoạn vớimỗi giai đoạn có sự có mặt của một chủng loại vi sinh vật khác nhau

Chất hữu cơ phức tạp (Hidrocacbon, Lipit, Protein…)

Chất hữu cơ đơn giản (Đường, Peptit, acidamin…)

Các acid (acetic, propionic, butyric, lactic…)

CO2, CH4

Hình 1.2 Cơ chế lên men của vi sinh vật yếm khí

+ Giai đoạn thủy phân cơ chất:

Trong chất thải hữu cơ làm nguyên liệu lên men Metan cũng gồmcác thành phần chủ yếu Hydratcacbon (chủ yếu là Xenluloza, Tinh bột,Protrin, Lipit) Ở giai đoạn này, các thành phần nói trên bị phân hủy dướitác động của men Hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợpchất đơn giản hơn có thể tan trong nước (các Đường đơn, các Peptit,Glyxerin, Axit béo, Axit amin,…) các vi sinh vật tham gia vào giai đoạnnày là Clostridium Thermocellum chuyển Xenluloza thành Rượu etylic,Hydro và CO2 chuyển Xenlulaza thành Axit lactic, Axit axetic

Hình 1.3 Vi sinh vật clostridium thermocellum

+ Giai đoạn hình thành các axit hữu cơ:

Dưới tác động của các Enzym vi sinh vật tiết ra thì các chất hữu cơ dễ tanchuyển thành các axit hữu cơ (Axit axetic, Axit propionic, Axit butyric,…)rượu etylic , rượu metylic, khí Carbonic, và Hydro ở giai đoạn này chúng ta

có thể gặp một số chủng loại vi khuẩn sống trong điều kiện kị khí như:Bacteroides, Suminicola, Clostridium, Bifido bacterium

Hình 1.4 Vi sinh vật Bifido bacterium

+ Giai đoạn hình thành Metan:

Đây là giai đoạn quan trọng nhất vì nó là giai đoạn hình thành khíMetan, dưới tác động của các vi khuẩn các axit hữu cơ và các hợp chất khácchuyển thành khí Metan, Cacbonic, Oxy, Nitơ, Hydro sunfua,…các vi sinhvật tham gia vào quá trình này là Metanobacterium, Methanosarcina, Barkeri,

…sự tạo thành Metan có thể diễn ra theo 2 cách sau:

CH − +H O→CH + HCO−

(1.7)+ Từ Methanol

bề mặt Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:

2

1/ 2  

Fe + O →FeO

(1.12)

Khi khí Biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theocác phản ứng sau:

đã sử dụng trong 15 phút Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễmSO2:

1 atm thì 1 thể tích H2O có thể hòa tan hết 1 thể tích CO2 Chính vì vậy, nước

là chất hấp thụ CO2 lý tưởng nhất, phù hợp với điều kiện kinh tế của nông dân

và rất dễ tìm Ngoài ra CO2 còn được xử lý bằng rất nhiều công nghệ khácnhư hấp thụ bằng Ca(OH)2, etanolamin, vật liệu cơ kim…nhưng không kinh

tế bằng H2O trong công nghệ này Trong đề tài này chúng tôi chọn công nghệhấp thụ CO2 bằng tháp đệm, sử dụng dung môi nước, vật liệu đệm bằng sứ(có thể dùng dăm gạch, đá…) Với công nghệ như vậy chúng ta có thể tiết

kiệm được chi phí đáng kể mà vẫn đảm bảo được khả năng tách CO2 khỏi hỗnhợp khí.

Hình 1.7 Tháp tách CO 2

Hình 1.8 Hệ thống lọc Biogas

Lối ra của nước

LốI vào của khí

Lối ra của khí Nước vào

1.2 Phân Compost

1.2.1 Khái niệm [8]

- Phân Compost hay còn gọi là phân rác, là một loại phân hữu cơ đượcchế biến từ rác, cỏ dại, thân lá cây xanh, bèo tây, rơm rạ, chất thải sinh hoạt(rau, quả, củ dư thừa, héo, hỏng…) được ủ với một số phân men như phânchuồng, nước giải, lân, vôi, tro bếp… cho đến khi hoai mục để bón cho câytrồng như nhiều loại phân chuồng, phân hữu cơ khác

- Quá trình chế biến Compost là quá trình phân hủy sinh học và ổn địnhcủa chất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ cao Kết quả của quá trình phân hủysinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và

có ích trong việc ứng dụng cho cây trồng

Quá trình làm Compost có thể phân ra làm các giai đoạn khác nhau dựatheo sự biến thiên nhiệt độ:

+ Pha thích nghi (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vậtthích nghi với môi trường mới

+ Pha tăng trưởng (growth phase): đặc trưng bởi sự gia tăngnhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học đến ngưỡng nhiệt độ mesophilic

+ Pha ưu nhiệt (thermophilic phase) là giai đoạn nhiệt độ tăng caonhất Đây là giai đoạn ổn định hóa chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnhhiệu quả nhất

+ Pha trưởng thành (maturation phase) là giai đoạn nhiệt độ đếnmức mesophilic và cuối cùng bằng nhiệt độ môi trường Quá trình lên menlần thứ hai xảy ra chậm và thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn(là quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành mùn) và các chấtkhoáng (sắt, canxi, nitơ …) và cuối cùng thành mùn

- Các loại Compost: [9]

+ Compost Nấm:

Chất này làm bằng vật liệu nấm, phân gà, phân ngựa, rơm lúa mì và thạch cao Nó có nhiều dưỡng chất và giúp tạo cấu trúc đất

+ Compost Hữu Cơ Vườn:

Làm từ thân cây, cành, lá cây và cọng cỏ Nó giữ nước trong đất và giúp cải thiện cấu trúc đất

+ Compost Hữu Cơ Nhà:

Có thể làm từ những thứ như bánh mì, vỏ trứng, rác vườn, chất hữu

cơ vườn, rau và mảnh trái cây Nó có nhiều dưỡng chất và giúp cải thiện cấu trúc đất

+ Compost Cứng Sinh Học:

Đây là chất rắn khô từ sản phẩm xử lý rác thải Nó được trộn với đất hay chất hữu cơ để biến thành compost Nó có rất nhiều dưỡng chất

1.2.2 Quy trình làm phân compost và các yếu tố ảnh hưởng

a Quy trình làm phân compost[8]

Bước 1: Làm thùng ủ rác hữu cơ và chọn vị trí đặt thùng

- Chọn loại thùng bằng nhựa, hình tròn, dung tích 160lít được bán phổbiến tại các chợ

- Đối với thùng nhựa, vách thùng được khoan nhiều lỗ nhỏ cách nhau

10 cm -15 cm đều nhau Hai bên thành thùng gần mép đáy thùng được khoan

2 cửa vuông khoảng 2 - 3 tấc vuông để lấy phân

- Chọn vị trí đặt thùng: Cách xa nguồn nước sinh hoạt, làm bệ bằnggạch, bệ xi măng, đặt chậu nhựa để thu nước rỉ từ rác Nước rỉ được dùng tướilên đống rác ủ trong thùng giúp rác mau phân hủy thành phân.

Bước 2: Phân loại rác và bỏ rác hữu cơ vào thùng

- Rác hữu cơ: Là các loại rác phân hủy nhanh (vài tháng) như các loạirau, trái, rơm, các loại lá non, thực phẩm, phân gia súc… bỏ nguyên liệu ráchữu cơ đã được phân loại vào thùng ủ

* Lưu ý: Không đưa vào lá bạch đàn, lá tràm, lá xả tươi, vỏ cam, quýt vìcác loại này chứa tinh dầu làm hại đến sự phát triển của vi sinh vật

- Rác vô cơ: Là các loại rác khô, khó phân hủy như vỏ ruột của các loại

xe, sành sứ, gạch vỡ, thủy tinh, thân, cát,…Rác vô cơ có thể được tái sử dụnghoặc tái chế (không nên bỏ vào thùng ủ vì rác vô cơ không thể phân hủy).Bước 3: Quá trình ủ rác thành phân compost

- Kiểm tra độ ẩm:

+ Nếu bóp thấy nước rỉ ra ngoài kẻ tay là thừa nước, cần bổ sung thêm

lá cỏ khô, rơm rạ để điều chỉnh độ ẩm

+ Nếu bóp thấy rác dính chặt thì độ ẩm đạt yêu cầu

+ Nếu bóp thấy rác không dính chặt (bời rời) thì không đủ nước, cần bổsung thêm nước (vừa đủ)

- Đảo trộn và kiểm tra nhiệt độ:

+ Sau 10 ngày đảo phân trộn đều rác trong thùng một lần (chú ý đảo từtrong ra ngoài và đảo từ ngoài vào trong để các vật liệu được trộn đều) Tạimỗi lần đảo nếu thấy phân bị khô ta cần phải bổ sung thêm nước bằng cáchtưới để độ ẩm luôn đạt 60%.

+ Sau 2-3 tháng, rác sẽ phân hủy thành phân compost

+ Kiểm tra nhiệt độ bằng cách dùng một cành tươi cắm vào giữa khốiphân ủ Sau 5 hoặc 6 ngày rút cành cây ra khỏi đống phân và sờ vào phần cắmtrong khối phân ủ, nếu thấy cành cây nóng mạnh là đạt yêu cầu

+ Nếu nhiệt độ không tăng lên thì đống phân ủ không đạt yêu cầu có thể

do thiếu ẩm, thiếu vi sinh vật hoặc do nén lên các vật liệu quá chặt

- Khi rác có mùi hôi, ruồi nhặng:

+ Rải một lớp đất mỏng khô hoặc rơm rạ, lá cỏ khô

+ Hoặc dùng tro bếp rải lên bề mặt đống ủ để giảm mùi hôi và ruồi, sau

đó tiếp tục bổ sung thêm rác

+ Không nên bổ sung thêm nước vào thùng rác

- Lấy phân compost ra ngoài:

+ Sau 2-3 tháng thì lớp phân bên dưới đáy thùng sẽ phân hủy trước Talấy phân ra từ 2 cửa bên dưới

+ Phân tơi xốp, hạt mịn, không có mùi hôi thối, ngã màu nâu đen (đặcđiểm của phân compost) lấy ra ở cửa bên dưới bón cho rau màu, cây kiểng