Công nghệ biogas- sản xuất khí đốt sinh học và giữ sạch môi trường sinh thái

Sơ lược về sự phát triển

Xây dựng chuồng trại hợp vệ sinh, mô hình vườn ao chuồng( VAC), xây dựng hố ủ phân cách xa chuồng nuôi, xây dựng nhà vê sinh của người tự huỷ, mô hình sử lý chất thải bằng xây dựng hê thống Biogas… đã mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Trong đó việc xây dựng hệ thống Biogas để xử lý chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt vừa giữ sạch môi trường vừa tận dụng khí đốt sinh học phục vụ sinh hoạt và chống phá rừng lấy củi.

Công nghệ Biogas đã được phát triển ở nhiều nước trên thế giới từ những năm 50 của thế kỷ 20 và ngày càng được cải tiến cho phù hợp và nâng cao năng suất sinh gas trên đơn vị thể tích dịch phân huỷ. Các quốc gia có công nghệ Biogas tiên tiến như Mỹ, Trung quốc, Ấn Độ, Philippine…

Trong hơn 10 năm gần đây, công nghệ Biogas phát triển mạnh ở Việt nam do việc du nhập công nghệ từ nhiều nước. Có nhiều phương pháp để xây dựng hệ thống Bioags, nhưng đến nay chưa có tiêu chuẩn hoá thống nhất cho công việc này.

Sau nhiều năm nghiên cứu thử nghiệm các mô hình của Trung quốc, Đài loan và Philippine có cải tiến của tập thể cán bộ Viện Chăn nuôi cho phù hợp với điều kiện chăn nuôi của nước ta. Chúng tôi đã tiến hành xây dựng môt số hệ thống hầm Biogas bằng kết cấu bêtông cốt thép có đô bền vững cao tại môt số tỉnh phía Bắc. Cho tới nay tất cả các hệ thống đều vận hành an toàn, hiệu suất sinh ga tốt, có cải tiến nhiều mặt để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Nguyên lý chung

Quá trình phân giải vi sinh vật

Sự lên men yếm khí của các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo thành các chất đơn giản hơn là nhờ hệ vi sinh vật có trong môi trường. Sự tăng trưởng của vi khuẩn và loài vi khuẩn còn tuỳ thuộc vào loại phân và điều kiện môi trường, nhiệt độ…Người ta thấy tất cả các bể sinh khí đều có những loại vi khuẩn khác nhau sinh khí methane. Loại vi khuẩn này chia làm 2 nhóm như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng (Non-methane producing bacteria) và Nhóm vi khuẩn sinh khí methane.

Lý thuyết của quá trình sinh khí methane

Các vi sinh vật sinh methane theo nhiều cơ chế khác nhau:

Theo Buswell , công thức để tính năng suất sinh ga là :

Trong đó: n : là số nguyên tử carbon có trong phân tử của hợp chất hữu cơ

a : số nguyên tử hydro có trong phân tử của hợp chất hữu cơ

b : số nguyên tử oxy có trong phân tử của hợp chất hữu cơ

Công thức trên có thể viết ở dạng đơn giản hơn, vì trong điều kiên tiêu chuẩn 1 gam chất hữu cơ cho 22,4 lít khí:

22,4/M ( n/2+a/8-b/4) lít khí CH4

22,4/M ( n/2-a/8+b/4) lít khí CO2 Như vậy ta có thể tính toán được năng suất sinh khí methane và carbon của hàng loạt chất hữu cơ có trong các nguyên liệu khác nhau. Năng suất sinh khí của 1 gam chất khô của carbonhydrat, protein, lipid (lít)

Căn cứ vào thành phần hoá hoc của nguyên liệu nạp vào ta có thể tính được năng suất sinh khí CH4, CO2 sinh ra theo công thức:

E = 0,37A+ 0,49B+ 1,04C

Trong đó: E là năng suất lý thuyết của khí methane trong 1 gam nguyên liệu

A là khối lượng của carbonhydrat chứa trong 1 gam nguyên liệu

B là khối lượng của protein chứa trong 1 gam nguyên liệu

C là khối lượng của lipid chứa trong 1 gam nguyên liệu

Tương tự ta cũng tính được năng suất sinh khí CO2

D = 0,37A + 0,49B + 0,36C

Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men và sinh khí methane

+ Nhiệt độ:

Vi khuẩn sinh khí methane bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rất nhiều, nhiệt độ lý tưởng cho quá trình lên men là 35C, nhiệt độ thấp quá trình sinh ga giảm thậm chí ngưng hẳn (thấp hơn 10C). Vi khuẩn methane cũng rất mẫn cảm với nhiệt độ lên xuống thất thường.

+ Thời gian ủ và số lượng vi sinh vật sinh khí methane

Thời gian ủ trung bình từ 20-60 ngày, tuy nhiên còn phụ thuộc vào nhiệt đô càng cao ,vi sinh vật phát triển càng nhanh. Nếu trong quá trình ủ vi sinh vật không phát triển thì cần phải kiểm tra lại nguyên liệu, hoặc bổ sung vi sinh vật ( có sẵn trong tự nhiên).

+ Tỷ lệ C/N ( Carbon/Nitơ)

Tỷ số C/N trong nguyên liệu sinh khí biểu hiện tỷ lệ của 2 nguyên tố : Carbon dưới dạng carbonhydrate và nitrogen dưới dạng protein, nitrat,amoniac… là những chất dinh dưỡng chính của vi khuẩn kỵ khí. Các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ C/N vào khoảng 25/1- 30/1 cho phép sự phân huỷ tiến hành thuận lợi nhất nếu có điều kiện thích hợp kèm theo.

+ Độ pH và các độc tố

Trong quá trình lên men yếm khí độ pH môi trường thường trung tính, đầu vào thường từ 6,8- 7,2 và đầu ra từ 7,0-7,5. Ngoài ra các độc tố có trong nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến lượng ga sinh ra ví dụ các thuốc trừ sâu, nước xà phòng, thuốc tẩy, nước vôi… làm cho số lương vi sinh vật giảm đi nhanh chóng.

Cấu trúc bể phân huỷ

Hiện nay có nhiều kiểu xây dựng bể phân huỷ khác nhau: Hầm ủ chung chung với bình ga, hầm có bình ga nổi, hầm có bình ga rời… nhưng thông dụng và thuận tiện nhất là cấu trúc hầm ủ chung với bình ga có vòm cố định. Tuy nhiên tuỳ mức độ đầu tư nguyên vật liệu mà có thể xây dựng kiên cố hoặc bán kiên cố. Dưới đây xin giới thiệu cấu trúc hầm ga được xây dựng với kết cấu betong cốt thép. Cấu trúc chính của bể bao gồm:

-Đáy bể đổ betông gạch vỡ và bê tong cốt thép dày 150-200 mm.

-Vòm bể bằng betong cốt thép 8-9mm.

-Các bể phụ, bể thuỷ lực có kết cấu tương tự và kích thước tỷ lệ hợp lý với bể phân huỷ.

-Hệ thống thiết bị chống phá váng phân bằng Inox.

-Các hoá chất chống thấm đặc biêt bảo đảm cho bể phân huỷ kín hoàn toàn, quá trình lên men yếm khí diễn ra thuận lợi.

-Thân bể hình tròn xây gạch chỉ đặc (110-220mm). Lý thuyết để tính toán cấu trúc bể phân huỷ như sau:

f₁₌ D/5 ; f2 = D/8 ; H = D/2,5 .

Trong đó: t : chiều cao vòm bể.

F2: chiều cao lõm đáy bể.

H : chiều cao thành bể.

Từ đó ta có thể dễ dàng tính được thể tích của bể phân huỷ chính theo công thức tính thể tích đã biết. Điều quan trọng nhất là phải căn cứ vào quy mô đàn gia súc để thiết kế thể tích bể phân huỷ cho hợp lý bảo đảm lượng phân vào được phân huỷ hết, hệ số sinh ga cao nhất, hiệu quả sử dụng kinh tế. Các loại dung tích hầm phổ biến hiện nay và chi phí xây dựng

Vận hành và sử dụng

Hệ thống biogas là một hệ thống liên hoàn và hoạt động tương đối tự động. Để cho hệ thống hoạt động tốt cần chú ý:

Lượng phân ban đầu và nước cho vào tỷ lệ 1:4 – 1:6

Lượng phân bổ sung hàng ngày dựa vào đàn gia súc hiện có.

Lượng ga sinh ra hàng ngày phải được sử dụng hết.

Gas sinh học là một hỗn hợp khí: Methane(CH4) chiếm 60-70%, carbonic (C〇2) chiếm 30-40%, hydosulfide(H2S) thường có không quá 1% nhưng có mùi khó chịu, vì vậy ta cần đặt thiết bị khử mùi.

Thành phần của gas thay đổi nên đặc tính của nó cũng thay đổi.

Nhiệt lượng : 20- 25 MJ/m³(4700-6000 kcal/m³)

Tỷ trọng : 0,86 ( so với không khí là 1).

Gas sinh học khi cháy phải hoà lẫn với không khí tỷ lệ 6-25% mới có thể cháy được, do đó tương đối an toàn khi sử dụng.