ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ĐỖ THỊ THU HÀ
Tên đề tài:
ĐIỀU TRA, ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG HẦM BIOGAS TẠI
XÃ NA MAO – HUYỆN ĐẠI TỪ - TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯA RA
CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG HẦM BIOGAS
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo : Chính quy
Chuyên ngành : Khoa học môi trường
Khoa : Môi trường
Khoá : 2010 – 2014
Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Thị Phả
Thái Nguyên, 2014
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, em đã
nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo hướng dẫn tận tình chu đáo
của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè.
1.3. Yêu cầu của đề tài 3
1.4. Ý nghĩa của đề tài 3
1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 3
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn 3
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
2.1. Cơ sở lý luận 4
2.2. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu 5
2.2.1. Một số khái niệm 5
2.2.2. Khí sinh học và sự phát triển bền vững 6
2.2.3. Đặc tính và khả năng sản sinh khí biogas 6
2.2.4. Quá trình sản sinh khí sinh học 10
2.2.5 Thành phần, tính chất Biogas 12
2.2.6 Các yếu tố lý h óa ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học 12
2.2.7. Một số kiểu hầm biogas ở Việt Nam 17
2.2.8 Lợi ích của công nghệ biogas 20
2.3. Lịch sử phát triển của Biogas 22
2.3.1 Trên thế giới 22
2.3.2 Tại Việt Nam 23
2.4. Công nghệ Biogas tại Thái Nguyên 25
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU 26
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 26
3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành 26
3.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 26
3.3.1. Nội dung nghiên cứu 26
3.3.2. Phương pháp nghiên cứu 26
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 28
4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội xã Na Mao 28
4.1.1. Điều kiện tự nhiên 28
4.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 30
Bảng 4.4: Diện tích đất nông nghiệp xã Na Mao 33
Bảng 4.5 Lượng chất thải phát sinh trung bình ngày của gia súc 35
Bảng 4.6 Các kiểu hầm biogas được người dân xây dựng 37
Bảng 4.7: Quy mô hầm biogas tại xã Na Mao năm 2014 38
Bảng 4.8: Mục đích sử dụng Biogas tại xã Na Mao 40
Bảng 4.9 Lượng khói trong nhà bếp so với trước 42
Bảng 4.10 So sánh hiệu quả về môi trường giữa hộ sử dụng biogas và hộ
không sử dụng biogas 45
Bảng 4.11 Các phương pháp khắc phục sự cố hầm biogas 48
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
Hình 2.1 Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT1 18
Hình 2.2 Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT2 18
Hình 2.3 Túi biogas bằng plastic 19
Hình 2.4: Mô hình hầm Biogas trong thực tế (mô hình bể Đức – Thái Lan) . 19
Hình 2.5 Hầm biogas bằng vật liệu composite 20
Hình 4.1. Nguồn tiếp nhận thông tin về biogas của các hộ dân 36
Hình 4.2. Lý do người dân lắp đặt Biogas 37
Hình 4.3. Quy mô hầm Biogas 39
Hình 4.4. Hình thức sử dụng khí biogas 40
Hình 4.5 Loại bếp sử dụng cho biogas 41
Hình 4.6 Thời gian nấu ăn bằng biogas 42
Hình 4.7 Ý nghĩa của hầm biogas đối với môi trường sống 45
DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT
VSV : Vi sinh vật
VK : Vi khuẩn
KT1, KT2 : Kiểu hầm Biogas
NN & PTNT : Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
UBND : Ủy ban nhân dân
chưa bao giờ giá dầu lại tăng đến mức kỷ lục từ trước tới nay, có khi lên tới
130 USD/thùng. Giá xăng của Việt Nam có thời kỳ tăng cao là 24,9 VNĐ/lít,
giá gas tăng đến 450.000 VNĐ/bình 12 kg, giá điện cũng tăng nhanh càng
ngày càng gây áp lực lớn lên tất cả các hộ gia đình.
Đối mặt với tình hình khan hiếm năng lượng và ô nhiễm môi trường
nông thôn, cần phải tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế các nguồn
năng lượng đã bị cạn kiệt, có một giải pháp rất hiệu quả: Làm hầm biogas
trong các hộ gia đình ở nông thôn. Thực hiện biogas tạo ra khí ga phục vụ cho
đun nấu, thắp sáng trong gia đình, đồng thời chất thải của động vật nuôi và
chất hữu cơ được xử lý trong hầm kín, tránh được mùi hôi thối, xử lý ô nhiễm
môi trường và chất cặn bã có thể sử dụng làm phân bón. Chỉ với giải pháp sử
dụng hầm biogas đã giải quyết được hai vấn đề lớn liên quan đến nông thôn,
biogas thực sự là một giải pháp hiệu quả. Vì vậy, em tiến hành thực hiện đề
tài: “Điều tra, đánh giá tình hình sử dụng hầm biogas tại xã Na Mao -
huyện Đại Từ - tỉnh Thái Nguyên và đưa ra các giải pháp nâng cao hiệu
quả sử dụng hầm biogas”.
1.2. Mục tiêu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu chung
Điều tra, đánh giá tình hình sử dụng hầm ủ biogas tại xã Na Mao -
huyện Đại Từ - tỉnh Thái Nguyên, những thuận lợi và khó khăn của từng hộ
gia đình trong quá trình sử dụng. Từ đó đưa ra các giải pháp nhằm khắc phục
khó khăn và nâng cao hiệu quả sử dụng hầm ủ biogas tại địa phương.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Mục tiêu về kiến thức:
+ Biết cách điều tra, đánh giá được tình hình sử dụng hầm biogas quy
mô hộ gia đình.
+ Tìm ra được các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng hầm biogas.
+ Nắm rõ được quy trình, kĩ thuật xây dựng hầm biogas.
- Mục tiêu về kĩ năng:
+ Nắm được các kĩ năng quan sát, phân tích, đánh giá, tổng hợp và tự
hộ chăn nuôi gia súc, gia cầm thì công nghệ khí sinh học đã tận dụng nguồn
chất thải của vật nuôi và triệt tiêu mùi hôi thối từ chất thải. Nước thải của hệ
thống hầm khí Biogas đã tiêu diệt hết 99% trứng giun sán, tận dụng làm phân
bón vi sinh hoặc tưới rau sạch, mang lại nguồn phân bón an toàn cho canh tác,
hạn chế côn trùng phát triển qua đó giúp giảm dịch hại từ 60 - 80%, bảo vệ
sức khỏe của người dân. Công nghệ khí sinh học đem lại lợi ích kinh tế, xã
hội cho người dân, đó là việc sử dụng hầm khí Biogas giúp cho mỗi hộ gia
đình có thể tiết kiệm một khoản tiền nhất định cho chi phí chất đốt (thắp sáng,
đun nấu,…). Hầm khí sinh học ngoài tác dụng xử lý phân, rác thải, vệ sinh
môi trường, hạn chế chặt phá rừng lấy củi đun nấu mà còn góp phần cải thiện
điều kiện lao động và tạo ra nếp sống văn minh. Do đó mô hình hầm khí
Biogas ngày càng được phát triển và nhân rộng khắp trên mọi vùng miền của
tổ quốc.
Thái Nguyên là tỉnh có điều kiện khí hậu thuận lợi cho VSV phát triển
quanh năm. Đó là cơ sở và tiềm năng cho việc xậy dựng và sử dụng hầm khí
Biogas. Hàng năm các dự án xây dựng mới hầm khí Biogas do tổ chức trong
và ngoài tỉnh vẫn luôn được tiến hành triển khai đến các xã, huyện trên địa
bàn toàn tỉnh. Dự án chương trình khí sinh học có mặt tại xã Na Mao, huyện
Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên đem lại những lợi ích to lớn cho người dân:
- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường thông qua xử lý chất thải chăn nuôi.
- Mang lại nguồn năng lượng sạch thay thế các chất đốt truyền thống
như củi, rơm.rạ.
- Giải phóng sức lao động cho người phụ nữ, không phải mất nhiều
công sức cho chuyện bếp lúc vất vả.
- Góp phần giảm thải hiệu ứng nhà kính gây nên biến đổi khí hậu.
Với những lợi ích và giá trị của dự án thì việc nghiên cứu và tìm hiểu
tình hình sử dụng và quá trình hoạt động của hầm khí Biogas là rất quan trọng
để dự án được hoàn thiện và phát triển rộng khắp hơn.
2.2. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu
2.2.1. Một số khái niệm
Nước xả là chất lỏng xả ra khỏi bể phân giải.
Bã cặn là chất đặc lắng đọng ở dưới đáy bể phân giải.
Váng là chất đặc nổi lên bề mặt dịch phân giải trong bể phân giải.
2.2.2. Khí sinh học và sự phát triển bền vững
Công nghệ sản xuất khí sinh học góp phần lớn giảm thải, phát thải khí
nhà kính, là nguồn nguyên liệu sạch và cơ bản cho thế hệ hiện tại và tương
lai. Hiệu ứng nhà kính đang là một thách thức lớn của toàn nhân loại, nó gây
ra biến đổi khí hậu toàn cầu theo chiều hướng xấu đi và ngày càng diễn biến
phức tạp. Trong đó khí mêtan (CH
4
) là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn gấp
21 lần khí CO
2
. Do đó nếu các chất thải hữu cơ được phân hủy trong các công
trình khí sinh học thì mêtan sẽ được thu lại làm nhiên liệu góp phần trong việc
giải quyết vấn đề môi trường hiện nay. Khi đốt cháy 1 tấn mêtan tạo ra 2,75
tấn CO
2
. Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà kính giảm: 21/2,75 = 7,6 lần(
Nguyễn Quang Khải và cs, 2003)[ 7].
2.2.3. Đặc tính và khả năng sản sinh khí biogas
2.2.3.1. Đặc tính chung của nguyên liệu
Chất thải của động vật (phân, nước tiểu) trong chăn nuôi là nguồn
nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyển hóa sinh
học để tạo ra Biogas. Tùy theo từng loại gia súc,gia cầm ,điều kiện chăn nuôi
,đặc điểm của chuồng trại và đặc điểm của từng quốc gia mà khối lượng chất
thải phát sinh có sự khác nhau. Theo số liệu thống kê của ngành nông nghiệp
Ấn Độ, Napal, Việt Nam… khối lượng phát sinh và thành phần tính chất của
các loại chất thải được ước tính như sau:
Bảng 2.1: Ước lượng chất thải phát sinh từ động vật
Lít nước
thải/con/ngày
Chất thải của gia súc 9,3 65 5,9 28,3
Chất thải của bò 16-25 78-80 4,2 37,3
Chất thải của ngựa 25 75 - -
Chất thải của lợn 14 82 2,7 28,3
Chất thải của cừu 20 68 - -
Nguồn: Le Thi Xuan Thu, Biogas Engineer/Extension in charge – Biogas
Project Division – The Biogas Program for Animal husbandry sector
of Viet Nam.
Ngoài chất thải động vật và con người, thực vật cũng là nguồn nguyên
liệu được sử dụng để sản xuất Biogas và phân bón sinh học. Các loại nguyên
liệu hữu cơ khác nhau sẽ có tính chất hóa sinh khác nhau và do đó, khả năng
tạo ra biogas của chúng cũng khác nhau. Hai hoặc nhiều loại nguyên liệu có
thể được sử dụng kết hợp để đảm bảo các yêu cầu cơ bản cho quá trình phân
hủy sinh học tạo khí.
Đối với Việt Nam, một quốc gia có nền nông nghiệp là chính, đặc biệt
về chăn thả gia súc, gia cầm ở các vùng nông thôn. Khối lượng chất thải của
động vật thay đổi rất lớn tùy theo điều kiện chăn nuôi và chuồng trại. Lượng
phân động vật sản xuất một năm ước tính theo bảng 2.3.
Bảng 2.3: Khối lượng chất thải từ động vật
Động vật
Tấn/năm
( tính trên 454
kg thịt sống)
Hàm lượng Nito ( kg/năm/454kg thịt sống)
Trong nước
tiểu
Trong phân Tổng
Ngựa
, cụ
thể được trình bày trong bảng
Bảng 2.4: Thành phần CH
4
, CO
2
trong biogas sinh ra từ các hợp chất hữu cơ
Nguyên liệu
Lít khí/ kg
nguyên liệu thô
CH
4
% CO
2
%
Protein
700 70 30
Chất béo
1200 87 33
Hydratcabon
800 50 50
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternationnal
Publisher
Sản lượng khí sinh ra hàng ngày được ước tính như sau:
Bảng 2.5: Sản lượng khí hàng ngày
Loại chất thải
Sản lượng khí hằng ngày
( lít/ kg/ngày)
Chất thải của bò 15-32
Chất thải của trâu 15-32
- Giai đoạn lên men metan (Methanogenesis)
* Giai đoạn tạo axit (thủy phân)
Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị
khử thành các monomer (phân tử cơ bản). Sản phẩm của quá trình bao gồm:
- Chất béo axit béo
- Protein amino axit
- Hydratcacbon đường
Sản phẩm của giai đoạn này sẽ được các VK lên men chuyển hóa, hình
thành các sản phẩm như:
- H
2
, H
2
O, CO
2
, H
2
S
- Axit acetic CH
3
COOH
- Rượu và các axit hữu+ cơ yếu.
* Giai đoạn khử axit
Trong bước này vi khuẩn Acetogen sẽ chuyển hóa rượu và các axit hữu
cơ yếu thành các sản phẩm sau:
- H, H
2
O, CO
2
0
C. Nhiệt độ ngọn lửa sử dụng Biogas khoảng 870
0
C.
Thành phần Biogas bao gồm 50 -70% CH
4
; 35 - 50% CO
2
; hàm lượng
hơi nước khoảng 30 – 160g/m
3
; hàm lượng H
2
S 4 - 6 g/m
3
. Giá trị năng lượng
khoảng 5,96 kWh/m
3
và tỷ trọng 0,94 kg/m
3
. Lượng không khí cần thiết cho
quá trình cháy của Biogas khoảng 5,7 m
3
không khí/ m
3
biogas, với tốc độ
cháy khoảng 40 cm/s. Hàm lượng CH
4
sinh ra đối với từng loại chất thải điển
hình được liệt kê như sau:
, tức
khoảng 5,75 m
3
không khí/ m
3
biogas(Nguyễn Quang Khải, 2006, Nxb Nông
nghiệp)[6].
2.2.6 Các yếu tố lý h óa ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học
Quá trình chuyển hóa các thành phần hữu cơ tạo Biogas được thực hiện
bởi các nhóm VSV. Các VSV này sử dụng một số enzyme để làm chất xúc tác
cho phản ứng sinh học. Hoạt động của các enzyme này đòi hỏi các điều kiện
hóa lý riêng (hay còn gọi là điều kiện môi trường) nhằm tối ưu hóa quy trình
chuyển hóa sinh học. Các yếu tố hóa lý quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ của
phản ứng sinh khối bao gồm nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N, điều kiện dinh dưỡng,
yếu tố gây độc, tốc độ oxy hóa khử của cơ chất, thành phần độ ẩm, thời gian
lưu trong hầm. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này xét trên nhiều khía cạnh
khác nhau được trình bày chi tiết như sau:
2.2.6.1 pH
Hầm phân hủy hoạt động tốt ở pH ≥ 7,0 (trong môi trường độ kiềm
yếu). Sự xuất hiện một số ion sau có thể làm ảnh hưởng đến pH của hầm:
HCO
3
-
, H
2
CO
3
-
, NH
4
Độ kiềm bicacbonat trong quá trình phân hủy kị khí cần duy trì ở mức ≥ 1.000
mg CaCO
3
/l để đảm bảo pH thích hợp. Nếu vận hành đúng theo nguyên tắc,
tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tổng cộng phải duy trì ở mức 0,5.
Sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của các enzyme. Các
VSV và enzyme của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ưu,
thể hiện qua các tác động về chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng
hoạt hóa của các enzyme. Mỗi enzyme chỉ có hoạt tính trong một dãy pH nhất
định. Hiện tượng pH bị lệch khỏi khoảng pH tối ưu có thể gây ra các tác động
sau đây đối với các enzyme:
- Làm thay đổi độ ổn định của các nhóm enzyme có khả năng ion hóa.
- Làm thay đổi các thành phần enzyme không có khả năng oxy hóa
trong hệ thống.
- Làm biến tính hệ enzyme.
Các VK mêtan hóa nhạy cảm với sự thay đổi pH hơn so với VK axit
hóa và chỉ hoạt động trong khoảng pH hẹp (pH tối ưu cho hoạt động của VK
mêtan hóa khoảng 6,8 – 8,5; VK axit hóa có thể tồn tại trong môi trường pH
thấp khoảng 5,5).
Nồng độ và dạng tồn tại của amoniac cũng có ảnh hưởng quan trọng
đến pH của hầm ủ. Tuy nhiên, pH của hầm ủ cũng sẽ quyết định trạng thái tồn
tại của amoniac (NH
3
), amoniac tồn tại ở dạng NH
4
+
không gây độc đối với
VK, ngược lại với ammoniac tự do. Nồng độ NH
3
ở mức 100ppm sẽ rất độc
0
C.
Vấn đề ảnh hướng thứ 2 của nhiệt độ là độ hòa tan của CO
2
và kim loại
năng. Độ tan của CO
2
giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại, ở nhiệt độ thấp
hàm lượng CO
2
hòa tan trong pha lỏng sẽ cao. Đối với kim loại nặng, khả
năng hòa tan tăng theo nhiệt độ và do đó, tại nhiệt độ cao, sự có mặt của
chúng có thể là yếu tố gây độc.
Một điểm bất lợi của quá trình phân hủy nhiệt độ cao đó là trong thành
phần Biogas sinh ra sẽ có sự hiện diện của khí H
2
S, tác nhân gây mùi hôi.
2.2.6.3 Thời gian lưu
Thời gian lưu được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể
tích nguyên liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn vị thời gian lưu nước là ngày.
Thể tích hầm phân hủy (m
3
)
T (ngày) =
Khối lượng nguyên liệu đầu vào (m
3
/ ngày)
Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho VK có tốc độ phát triển
chậm nhất có thể tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất
rắn trong hầm đảm bảo được tính ổn định tốt. Nếu thời gian lưu chỉ còn một
hủy phải đảm bảo đạt tỷ lệ C/N khoảng 25-30:1.
2.2.6.5 Thành phần độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào
Nước là nhu cầu tất yếu cho sự sống và hoạt động của VSV. Hơn nữa,
nước là môi trường cần thiết cho sự di chuyển của VK, hoạt động của các
enzyme ngoại bào và thủy hóa các polymer sinh học, tạo điều kiện cho quá
trình phân hủy.
Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nước trong hầm phân hủy sẽ làm tăng
thể tích hầm . Do đó, độ ẩm trong hầm phải được duy trì ở mức tối ưu. Hàm
lượng độ ẩm đối với từng loại cơ chất khác nhau sẽ khác nhau, tùy thuộc vào
tính chất hóa học và khả năng phân hủy sinh học của chúng.
Khi thành phần độ ẩm quá cao, điều đó có nghĩa là nhiệt độ chất thải
thấp, kết quả là sản lượng biogas sinh ra sẽ giảm, nếu thành phần độ ẩm qua
thấp, các axit hoạt tính sẽ tích lũy và gây ra trở ngại cho quá trình lên men.
Đối với hầu hết các loại hầm ủ biogas, tỷ lệ nguyên liệu thô đầu vào : nước lý
tưởng phải đạt mức 1:1.
2.2.6.6 Thành phần gây độc
Nồng độ của ammoniac, chất kháng sinh, thuốc trừ sâu, bột giặt …. là
các yếu tố gây độc với VSV, ảnh hưởng đến khả năng sinh khí biogas. Tỷ lệ
C/N thấp trong hỗn hợp đầu vào sẽ làm tăng hàm lượng amoniac. Chất kháng
sinh sử dụng trong thức ăn của động vật hoặc khi tiêm phòng cho động vật có
thể gây ra các tác động tiêu cực đến khả năng sinh khí biogas. Nồng độ tối đa
cho phép của một số chất độc hại được trình bày trong bảng 2.6
Bảng 2.6 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại
Thành phần mg/l
Sunfate SO
4
2
-
5.000
NaCl 40.000
2.2.7.2 Hầm xây KT2
Kiểu KT2 phù hợp với những vùng có nền đất yếu, mực nước ngầm
cao, khó đào sâu và diện tích mặt bằng rộng. Hình 2.2 Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT2
2.2.7.3 Túi biogas
Loại này có ưu điểm là vốn đầu tư thấp phù hợp với mức thu nhập của
người dân. Tuổi thọ của túi tùy thuộc vào thời gian lão hóa của nguyên liệu
làm túi. Nhược điểm của loại túi này là rất dễ hư hỏng do sự phá hủy của
chuột, gia súc, gia cầm.
Copyright: Tài liệu đại học ©