Đồ án thiết kế hầm sinh khí biogas cho hộ chăn nuôi, trang trại và ứng dụng thực tế của biogas

Phần I : Sơ lược về nguồn nguyên liệu và việc xử lý nguồn nguyên
liệu trước khi ủ .
1. Nguồn nguyên liệu :
Là phế liệu, phế thải trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, và các hoạt động trong
đời sống của chúng ta ngày nay và các hoạt động trong các nghành kinh tế sản xuất và
chế biến nông lâm thủy sản…v.v.
2. Phân gia súc :
Đây Là nguồn nguyên liệu có rất nhiều trong nước ta hiện nay.Do vì nước ta là nước
nông nghiệp nên sử dụng,tận dụng các nguồn thức ăn trong nghành này. Vậy nên phân
gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu trong các hầm Biogas của nước ta hiện nay.
• Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc,gia
cầm :
Vật
nuôi
Khả năng cho phân
hàng ngày của
500kg v.nuôi
Thành phần hoá học
( % khối lượng phân tươi )
Thể
tích :
m
3
Trọng
lượng
tươi (kg)
Chất
tan dễ
tiêu
Nitơ Photpho Tỷ lệ
Carbon /

Nitơ
Bò sữa
Bò thịt
Lợn
Trâu
Gia
cầm
0,038
0,038
0,028

0,028
38,5
41,7
28,4
6,78
31,3
7,98
9,33
7,02
10,2
16,8
0,38
0,70
0,83
0,31
1,20
0,10
0,20
0,47

1,20
20-25
20-25
20-25

7-15

a. Xử lý nguyên liệu :
Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất nó rất chi là phong phú và đa
dạng ,trước khi sử dụng những nguyên liệu này chúng ta cần phải chọn lọc kỹ càng
và xử lý sao cho nó được phù hợp với yêu cầu và chất lượng như sau
- Nguyên liệu phải giàu cellulose.
- Nguyên liệu phải Ít Ligin
- NH
4
+
ban đầu khoảng 2000mg/l
- Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30
- Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước
Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí sau khi
thu được :
Nguyên liệu Sản lượng khí
m
3
/kg phân
khô
Hàm lượng CH
4
(%)

Thời gian lên
men (ngày)
Phân bò
Phân gia cầm
Phân gà
Phân heo
Phân người
1,11
0,56
0,31
1,02
0,38
57
69
60
68

10
9
30
20
21
Pha chế nguyên liệu, và hỗn hợp khí sau khi lên men ở 21
0
C
Sản lượng khí
m
3
/ kg ng.liệu
Thành phần sau 21 ngày

(%)
24 ngày 80 ngày CH
4
H
2
CO
2
Phân bò
Phân bò +0,4% bã mía
Phân bò +1% tro bếp
Phân bò + 1% cellulose
Phân bò +0,4% bã mía +1%
urê
Phân bò +1% lá tạp (1,7N)
0,063
0,071
0,061
0,084
0,081
0,081
0,21
0,21
0,19
0,21
0,26
0,22
60,0
57,6
60,4
52,8

68,0
68,0
1,1
2,1
2,9



34,4
38,4
34,4
44,0
30,6


Phần II: Sơ lược tổng quan về công nghệ khí biogas
1: Giới thiệu chung.
- Khái niệm : Biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân
rác, phân hữu cơ và bùn cống rãnh, để tạo ra nguồn khí sinh học để sử dụng trong hộ gia
đình hay trong sản xuất,công nghiệp.
• Thành phần Biogas : CH
4
, CO
2
, N
2
,H
2
, H
2

S …, trong đó có các khí như CH
4
,
CO
2
là chủ yếu.
Các công nghệ để chuyển các chất hữu cơ sang khí sinh vật tồn tại nhiều năm ở
những nước phát triển và đang phát triển. Khí sinh vật đốt trực tiếp để nấu ăn, thắp sáng
và chạy động cơ.
Quá trình sản xuất khí sinh vật là tiến hành lên men sinh học cho các chất hữu cơ
như: Các chất thải nông nghiệp, phân và các chất thải công nghiệp trong môi trường yếm
khí (làm thiếu oxi) để sinh ra các khí mêtan (CH
4
) và các thành phần khí khác như CO
2
,
O
2
,

H
2
,

N
2
,

O
2

, CO. Ngoài việc sản xuất sinh ra các khí trên, việc lên men các chất hữu cơ
còn làm giảm thể tích của chúng để trở thành các chất ở dạng nhão, những chất này làm
phân bón cho cây trồng rất tốt. Một lợi ích nửa của quá trình này là tạo môi trường sức
khoẻ tốt cho cộng đồng.
Các kiểu hầm sinh khí
Hầm thu khí trôi nổi Ấn Độ, kiểu hầm sinh khí cố định của Trung Quốc và hầm
sinh khí kiểu túi được phát triển mạnh ở Đài Loan. Trung Quốc và Ấn Độ là hai quốc gia
thành công nhất trong việc triển khai áp dụng kỹ thuật lên men kỵ khí để giải quyết nhu
cầu về chất đốt và xử lý về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi.
a) Mô hình hầm BIOGAS ở các nước.
b)Mô hình hầm BIOGAS của bác Trương Gập (Đà Nẵng)
ong ngan
mui
nguon phan
vao
ong dan khi
ong dan ba thai
ong ap suat
be ap suat
be phan huy
gas toi uu
Ho lang
cat
ong dan
phan
1. Những cơ sở khoa học của việc sản xuất khí sinh vật.
Khí sinh vật được tạo ra do hiện tượng lên men của các chất hữu cơ gây ra bởi các
loại vi khuẩn đặc biệt.
Công nghệ lên men kỵ khí
Các chất hữu cơ có thể lên men theo hai cách tuỳ thuộc vào sự có mặt của khí trời

mà ta có hiện tượng lên men hiếu khí và hiện tượng lên men kỵ khí.
a/ sơ đồ quá trình lên men mêtan




H
2,
CO
2 ACETAT
CH
4
,CO
2
b/ Hiện tượng lên men hiếu khí
Ở một số nơi người ta ủ phân, rác rưởi, lá khô, gỗ mục thành từng đống và thỉnh
thoảng có sáo trộn, lúc này những vi khuẩn hiếu khí (là những vi khuẩn sống được phải
có ôxi khí trời) sẽ phân huỷ các chất hữu cơ nhẹ và làm tăng nhiệt độ lên khoảng 60
0
C
cao hơn nhiều so với nhiệt độ sinh ra trong quá trình lên men kỵ khí. Cuối cùng người ta
có được một loại mùn giàu chất Nitơ, phot pho và kali (N,P,K) làm phân bón rất tốt.
c/ Hiện tượng lên men kỵ khí
Mục đích chính của luận văn này là nguyên cứu đi sâu quá trình khí sinh vật trong
điều kiện lên men kỵ khí.
Sinh khí mêtan là quá trình vi sinh vật học với sự tham gia của hàng trăm chủng
loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí không bắt buộc. Các vi sinh vật này tiến hành
hàng chục phản ứng hoá sinh học để phân huỷ và biến đổi các chất hữu cơ phức tạp thành
một khí cháy được gọi là khí sinh vật.
Có thể chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn chính như sau.

Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan (CH
4
):
Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3
CH
4
CO
2
Chất
béo
Các
chất tan
Chất
béo
Hydrat
cacbon
Protein
Vi sinh vật phân
huỷ chất béo
Vi sinh vật phân
huỷ Xenluloza
Vi sinh vật phân
huỷ Protein
Vi khuẩn
Sinh axit
Vi khuẩn
Si sinh mêtan
+ Giai đoạn 1: Dưới tác dụng của men hydroza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ như
chất béo, Xenluloza, protein bị phân huỷ và biến thành các chất hữu cơ đơn giản để hoà
tan trong nước như: đường đơn, glyxerin, axitbeo, axit amin, … giai đoạn 1 nói cách khác

là quá trình hoà tan các chất hữu cơ phức tạp vào nước dưới tác dụng của các men do vi
khuẩn tiết ra.
+ Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit, các chất tan nói trên sẽ biến thành
các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axit butylic, axit probionic,…) và một
số khí CO
2
, N
2
, H
2
,…
+Giai đoạn 3: Là giai đoạn sinh mêtan là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình.
Dưới tác dụng của vi khuẩn sinh mêtan, các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác
biến thành khí mêtan, cacbonic, oxi,…
Sự tạo thành khí metan theo hai cách sau.
- Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO
2
sẽ bị khử thành CH
4
trong đó chất cung
cấp điện ly là H
2
và rượu.
- Axit hữu cơ biến thành CH
4
theo phản ứng sau.
CH
3
COOH CH
4

+ CO
2
Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ biến thành CH
4
theo phản ứng.
R-COOH R
1
-COOH CH
3
COOH CH
4
+ CO
2

1.3: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình len men sản suất khí sinh vật.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men sản suất khí metan sinh học,
trong đó các yếu tố có thể kiểm soát được như độ pha loãng nguyên liệu, độ kín của hầm,
các cao độ cần thiết của bể nạp, bể thải, và còn có một số yếu tố quan trọng khác cần
nghiên cứu đó là: Nhiệt độ, độ pH, tỷ lệ C/N của nuyên liệu, thời gian lưu trữ, đặc tính và
tốc độ bổ sung nguyên liệu…
a/ Ảnh hưởng của độ kín.
Trong hầm ủ phân, khí metan được sinh ra hoàn toàn do vi khuẩn kỵ khí chỉ cần
một lượng nhỏ oxi cũng làm cản trở việc sinh khí. Do đó sự cần thiết cho hầm ủ khí là
hoàn toàn kín.
b/ Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Vi khuẩn sinh khí CH
4
cũng như các loại vi khuẩn khác, quá trình sinh trưởng và
phát triển của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ tuân theo phương trình Vanhopf-Anrhenius:
2

RT
)(ln E
dT
kd
=
Trong đó:
K: hằng số tốc độ phản ứng
T: nhiệt độ [
0
K]
E: hằng số đặc trưng phản ứng
R: hằng số khí lí tưởng, R=8314 J/Kmol.
Tích phân phương trình trên giữa T
1
và T
2
ta có:
12
12
1
2

)(
)ln(
TTR
TTE
K
K −
=
Nếu biết được K

1
, ta tính được K
2
.
Trong thực tế, hằng số phân huỷ E được chọn khoảng 84000 J/mol.
Miền nhiệt độ tối ưu cho các hoạt động của vi khuẩn tương đối hẹp. Người ta chia
ra làm ba miền nhiệt độ chính:
+ Prychrophilic: (2 -18)
0
C
+ Mesophilic: (18 – 45)
0
C
+ Themophilic: (45 – 85)
0
C
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men khí sinh vật được xác định ở miền
Mesophilic và miền Themophilic.
Ở nhiệt độ nhỏ hơn 15
0
C, tốc độ sinh khí trở nên quá nhỏ và giảm dần đến 10
0
C
thì vi khuẩn dường như không hoạt động sinh khí.Từ (30\40)
0
C các vi khuẩn hoạt động
mạnh nhất và do đó tốc độ sinh khí cũng lớn nhất. Ở khoảng nhiệt độ (50\60)
0
C, tốc độ
sinh khí đạt đỉnh cao thứ hai, ở đây một loại vi khuẩn ưu nhiệt trở nên rất sinh động với

môi trường xung quanh nhưng sản phẩm phân bón có chất lượng giảm đi, hơn nữa để có
nhiệt độ cao hơn 50
0
C, thì nhiều khi tốn năng lượng để đốt nóng vì vậy người ta ít vận
hành bể sinh khí ở nhiệt độ này. Ở những vùng lạnh hay mùa đông, muốn đủ khí dung
người ta phải có những biện pháp để đưa nhiệt độ phân huỷ lên trên 30
0
C. Người ta đã
xác định được mức sản xuất khí của một tấn phân ở điều kiện nhiệt độ khác nhau như
sau:
Nhiệt độ (
0
C) Sản xuất khí (m
3
/ngày) Thời gian phân huỷ kéo dài [tháng]
15 0,15 12
20 0,3 6
25 0,6 3
30 1,0 2
35 2,0 1
c/ Ảnh hưởng của độ PH.
pH là khái niệm biểu thị nồng độ H
+
tự do trong dung dịch, Sorenson (1909) định
nghĩa pH theo phương trình:
pH = -log(H
+
) hay pH = log(1/H
+
)

Độ pH thích hợp nhất cho lên men sản xuất khí sinh vật nằm trong giới hạn từ
6,5\7,5. Trong điều kiện này, sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh metan đạt giá
trị cực đại, pH nhỏ hơn 6,5 có nghĩa là axít nhẹ được tạo thành vượt khả năng sử dụng
của vi khuẩn sinh khí metan, pH tiếp tục giảm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng
và phát triển của loại vi khuẩn này.
Nguyên nhân thừa axit là do:
+ Tốc độ bổ sung nguyên liệu mới quá nhanh
+ Nhiệt độ môi trường thay đổi đột ngột
+ Độc tố được tích luỹ ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn sinh khí metan
+ Bề mặt dung dịch lên 111men bị một lớp váng quá dày bao phủ
Có thể điều chỉnh độ pH của dung dịch bằng cách giảm tốc độ bổ sung nguyên
liệu mới, tìm cách ổn định nhiệt độ môi trường xung quanh, thêm vôi, NH3 hoặc phá tan
lớp váng.
d/ Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N.
Các nguyên tố C và N là thức ăn chủ yếu của vi khuẩn sinh metan kỵ khí. Tốc độ
tiêu thụ C nhanh hơn N khoảng 30 lần, do đó phân huỷ kỵ khí tốt nhất khi nguyên liệu có
tỉ lệ C/N bằng 30/1. Hàm lượng cacbon trong rơm rạ quá lớn, N lại quá nhỏ do đó dễ dẫn
đến tình trạng C quá thấp và động lại trong bể làm giảm khả năng phân rã kỵ khí. Ngược
lại khi N quá thừa thì C sẽ nhanh chóng bị sử dụng hết và sự lên men cũng bị dừng lại.
Do đó người ta ít dung trực tiếp phân bắc và nước tiểu để sản suất khí sinh vật vì tỉ lệ
C/N của chúng là quá thấp, thường thì chúng được kết hợp với nguyên liệu có tỉ lệ C/N
cao như rơm rạ, giấy vụn. Số lượng và chất lượng phân thu được thay đổi tuỳ thuộc vào
điều kiện cho ăn và vật liệu lót chuồng.
e/ Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng và chất lượng nguyên liệu
Theo nguyên cứu thì nồng độ chất đốt khô trong dung dịch phân nạp vào bể từ (9 –
10)% thì vừa thích hợp cho cả quá trình lên men tạo khí lẫn tháo bỏ nguyên liệu đã sử
dụng.
Nói chung lượng nước đưa vào bể hoà tan phân theo tỷ lệ nước/phân dao động từ
1/1 đến 3/1. Tỷ lệ pha loãng đối với phân bò 2/1 đối với phân heo thì đang được sử dụng
phổ biến.

f/ Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ nguyên liệu trong hầm.
Thời gian lưu giữ đóng vài trò quan trọng đối với quá trình lên men sản xuất khí
sinh học. Nó phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu. Trong thời gian thực tế nguyên liệu
lưu giữ khoảng 30 – 60 ngày.
Như theo đi thực tế thì các hầm thương lưu trữ nguyên liệu khoảng 50 là chủ yếu.
g/ Ảnh hưởng của các chất độc tố:
Do hoạt động lên men thì có thể tích luỹ các ion NH
4
, Na, K, Zn…sẽ ảnh hưởng
đến quá trình sinh trưởng của các vi khuẩn sinh ra để lên men.
h/ Các yếu tố ảnh hưởng khác.
Quá trình khuất đảo dung dịch cũ và áp suất tạo ra trong hầm khí.
1.4: Giới thiệu một số loại bể sinh khí được sử dụng rộng rãi ở nước ta.
a/ Hầm ủ bằng tấm dẻo. (hầm ủ bằng hình túi)
Lá thiết bị sản xuất khí metan bằng chất liệu màng, có gắn van đóng mở. Đó là một
túi có van khoá, được xây dựng chủ yếu trên mặt đất.
Ưu điểm:
- Dể di chuyển
- Áp lực không thay đổi nhờ sự co giản của túi
- lắp đặt tương đối nhanh
- Giá thành hạ
Nhược điểm:
- Phải gắn van an toàn để xả bớt khí, nếu không túi có thể nổ.
- Phải giữ không cho các loại gặm nhấm có thể cắn hỏng túi
- Không thể vớt váng ra
- Không khuất đảo phân được
Các khúc ống cong ở ống dẫn vào và ống thoát có thể bị nghẽn

Loại hầm sinh khí kiểu túi
b/ Hầm ủ có bình chứa gas nổi:

Đặc tình
- Hầm ủ xây bằng gạch
- Ống dẫn vào và ra phải xây thẳng để không bị nghẹt
- Vận hành liên tục
Ưu điểm:
- Có thể nhấc bình chứa gas lên để vớt váng dễ dàng
- Áp suất gas không thay đổi
- Bình chứa gas có thể xoay để khuất phân ở một mức độ nào đó
Nhược điểm:
- Đại đa số đều dùng bình chứa gas bằng thép nhưng nó lại khá đắt. Giá thành
bình gas chứa khoản (30 – 40)% tổng số vốn đầu tư xây dựng công trình bể
sinh khí.
Vỏ ngoài bình chứa gas thường bị rỉ rét nhiều vì nó ngập trong phân sệt của hầm ủ
nên phải sơn bảo quản định kỳ.
Loại hầm sinh khí có nắp di động
C/ Hầm biogas kiểu nắp cố định
Đặc tình
- xây bằng gạch
- Ống dẫn vào và ra phải xây thẳng để không bị nghẹt
- Vận hành liên tục
Ưu điểm
- áp suất không thay đổi
- vận hành liên tục
- Do hầm xây hoàn toàn bằng gạch nên thời gian sử dụng lâu
Nhược điểm
- do là hầm nắp cố đình nên khi phá ván thì hơi khó khăn
Loại hầm sinh khí nắp cố định
Phần III : THIẾT KẾ HẦM BIOGAS CHO
TRANG TRẠI Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM
Dự án được xây dựng trên một chăn trại ở nông thôn việt nam với khoảng 100 con

lợn, từ yêu cầu của dự án nên ta cần chọn loại hình thiết kế KSH cho phù hợp nhất. Do
vậy chúng ta cần tìm hiểu kỹ về hoạt động và cấu tạo, đặc điểm loại hình thiết kế KSH đã
chọn cho dự án. Phương pháp xác định cơ sở thiết kế thiết bị thích hợp từ thiết kế mẫu.
Giới thiệu hoạt động của thiết bị KSH
2.1. Chu trình hoạt động của thiết bị
Chu trình hoạt động của thiết bị gồm hai giai đoạn
GĐ1 : giai đoạn trữ khí
GĐ2 : giai doạn xả khí


Ở trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động, bề mặt dịch phân hủy trong bể phân
hủy và bề mặt phân hủy tiếp xúc với khí trời tại lỗ vào và ra bằng nhau và nằm ở mức
không. Lúc đó áp suất khí sinh học trong bể phân hủy bằng không ( P = 0)
Phần trên của bể phân hủy có chứa một lượng khí nhất định. Tuy nhiên lượng khí
này không thể lấy đi sử dụng vì không có áp suất để đẩy khí ra ngoài bể. Phần khí này có
thể gọi là khí chết. Phần không gian chứa khí chết gọi là phần không gian không hoạt
động của bể phân hủy.
Khí bắt đầu được sinh ra và tích lại ở phần trên bể phân hủy ngày càng nhiều. Nó sẽ
đẩy dịch phân hủy đi đến khoang thứ ba (lúc này đóng vai trò như một bể điều áp) của
hầm và ống lối vào. Vì ống lối vào nhỏ nên lượng dịch bị chiếm chủ yếu được chứa ở
khoang thứ ba (bể điều áp ) nên sau này ta không tính đến phần dịch phân hủy dâng lên ớ
ống lối vào. Bề mặt dịch phân hủy ở bề mặt phân hạ dần xuống, đồng thời bề mặt dịch
phân hủy ở khoang thứ ba ( bể điều áp ) dâng lên dần. Độ chênh lệch giữa hai bề mặt thể
hiện áp suất khí. Khí càng sinh ra nhiều thì áp suất càng tăng.
Mức chất lỏng ở bể điều áp dâng lên tới mức cao nhất là “mức xả tràn”. Khi đó chất
lỏng trong bể phân hủy hạ xuống “mức thấp nhất”. Giai đoạn trữ khí của chu trình hoạt
động đúng đắn của thiết bị kết thúc tại đây. Đó là trạng thái cuối cùng của giai đoạn trữ
khí của chu trình hoạt động. Lúc này áp suất khí đạt giá trị lớn nhất (P = P max). Thể tích
khí sinh ra trong chu trình bằng V
g

. Lượng chất lỏng bị khí chiếm chỗ được giữ lại ở
khoang thứ ba ( bể điều áp ) có thể tích là V
c
= V
g*
Giá trị Pmax khi thiết kế được chọn trong giới hạn chịu được áp lực đẩy từ trong ra
của thành bể phân hủy. Nếu vượt quá giới hạn này có thể làm cho bể bị vỡ. Thông thường
Pmax < 100 cm cột nước. Như vậy độ chênh lệch giữa “mức xả tràn” và “mức thấp nhất”
bằng áp xuất cực đại ( Pmax). Đây là một ràng buộc phải tuân theo khi thiết kế và xây
dựng
Khi xả khí ra sử dụng là điểm khởi đầu của giai đoạn hai. Chất lỏng từ khoang thứ
ba ( bể điều áp) lại dồn về bể phân hủy và đẩy khí ra ngoài. Bề mặt dịch phân hủy ở
khoang thứ ba hạ dần xuống ( bể điều áp), đồng thời bề mặt dịch phân hủy ở bể phân hủy
lại dâng lên dần. Độ chênh giữa hai bề mặt này giảm dàn do đó áp suất khí cũng giảm
dần
Cuối cùng khi độ chênh giữa hai bề mặt dịch phân hủy bằng không, thiết bị trở lại
trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động, P =0 và dòng khí cháy ra nơi sử dụng ngừng
lại. Lượng khí V
g
có thể lấy sử dụng được bằng thể tích chất lỏng đã chiếm chỗ của nó là
V
c
chứa ở khoang thứ ba ( bể điều áp )
Từ những phân tích trên ta rút ra được những kết luận quan trọng sau:
1) Để thiết bị hoạt động đều đặn như thiết kế, cần thường xuyên nạp và lấy dịch
phân hủy ra hàng ngày với một lượng bằng nhau vì thế trong bảng thiết kế ta làm đường
thoát phân hủy thấp hơn mức xả tràn để có thể điều áp cho bể một cách khoa học và tự
động nhưng ta cũng cần kiểm tra thường xuyên coi hệ thống hoạt động tốt không
2) Bề mặt dịch phân hủy chứa trong bể phân hủy khi áp suất khí bằng không nằm ở
mức số không

3) Thể tích của phần bể phân hủy từ mức thấp nhất trở xuống là thể tích ổn định,
được coi là thể tích phân hủy V
d
của thiết bị. Chỉ có phần khí từ mức số không tới mức
thấp nhất là có thể lấy để sử dụng. Vì vậy thể tích của phần này là thể tích trữ khí V
g
.
Phần thể tích phía trên mức số không là thể tích “chết”. Tổng 3 phần thể tích này là cở
của thiết bị
4) Chỉ có phần của khoang thứ ba ( bể điều áp) từ mức số không tới mức xả tràn là
có tác dụng điều áp. Thể tích hoạt động này phải bằng thể tích trữ khí V
c
= V
g
. Do đáy
của khoang thứ ba nằm ở mức số không là hợp lý nhất, vì vậy khi xây dựng khoang thứ
ba ta chia làm hai phần: ( phân 1 là dáy bằng với bể phân hủy có tác dụng là phân hủy hết
phần nhiêu liệu chưa phân hủy hết ở bể phân hủy, phần hai ta xây dựng bằng với mức số
không có tác dụng điều áp cho bể hoạt động tốt) nghĩa là H
g
+ H
c
= Pmax
Nếu thiết kế phần khoang thứ ba ( bể điều áp) tất cả sâu hơn mức số không thì khi lấy
khí sử dụng, chỉ có phần dịch phân hủy nằm trên mức số không là tràn về bể phân hủy và
đẩy lượng khí đi lên. Phần dịch phân hủy nằm dưới mức số không nằm lại đó ở khoang
số ba ( bể điều áp ) không có tác dụng gì.
2.2. Những trường hợp hoạt động không đúng.
Sau đây ta xét xem điều gì sẽ xảy ra ra nếu dịch phân hủy (PH) chứa trong bể nhiều
hoặc ít hơn mức quy định ở trên

(A) Mức dịch PH ban đầu trên mức số không
(B) Mức dịch PH ban đầu dưới mức số không
a/Trường hợp dịch phân hủy trong bể nhiều hơn mức quy định, bề mặt dịch phân hủy
ở trạng thái ban đầu cao hơn “mức số không”:
Đến cuối giai đoạn tích khí, dịch phân hủy sẽ tràn ra khoang thứ ba (bể điều áp). Do
vậy phần dịch phân hủy bị khí đẩy ra khỏi bể phân hủy được giữ lại ở bể điều áp sẽ nhỏ
hơn V
g
. Khí lấy sử dụng, lượng khí thay thế bởi phần dịch phân hủy này sẽ nhỏ hơn V
g
.
Như vậy mặc dù khí sinh ra là V
g
nhưng ta chỉ sử dụng được một phần của nó thôi và
cũng chỉ một phần của khoang thứ ba (bể điều áp) là hoạt động thôi.
Trong thực tế, nếu thiếu phân thì vận hành thiết bị ở trạng thái này vì sản lượng khí
thực tế nhỏ hơn V
g
theo thiết kế.
b/ Trường hợp dịch phân hủy trong bể phân hủy ít hơn mức quy định, bề mặt dịch
phân hủy ở trạng thái ban đầu thấp hơn mức số không:
Tới cuối giai đoan tích khí, mức dịch phân hủy trong bể phân hủy sẽ xuống thấp hơn
mức thấp nhất theo thiết kế. lúc này áp suất khí sẽ lớn hơn Pmax thiết kế. Ngoài ra thể
tích phân hủy thực tế cũng nhỏ hơn V
d
theo thiết kế.
PHẦN IV : CHUẨN BỊ VÀ TÍNH TOÁN
A/ Chuẩn bị
3.1/ Chọn thiết kế
Rất nhiều kiểu hầm sinh khí đã được phổ biến nhưng trên thực tế các loại hình thiết

kế được đưa ra phổ biển không có nghĩa là nó được xây dựng và thử nghiệm qua một thời
gian. Do vậy cần phải cẩn thận khi chọn loại hình thiết kế cho phù hợp
Nhưng điểm cần lưu ý khi chọn thiết kế
- Tận dụng vật liệu có sẵn
- Giá cả nguyên vật liệu
- Nguyên liệu sử dụng
- Loại đất
Ví dụ:
- Nếu sử dụng loại hầm ủ vòm cố định, đòi hỏi phải có kỹ thuật xây dựng cao, hơn
nữa nằm dưới lòng đất. không dùng loại binh gá thép hoặc loại hầm ủ hình túi là
thích hợp hơn cả
- Nếu dùng cả phân xanh thì phải vận hành theo nguyên lý từng đợt và nên dùng loại
hầm có vòm cố định
- Nếu không có vật liệu xây dựng, lại không có kỹ thuật nhưng lại có plastic rẻ và tốt,
đồng thời ta chỉ sử dụng phân chuồng, trong khi nhiệt độ quanh năm khá cao thì ta
nên sử dụng loại hầm ủ hình túi
Từ những ưu điểm của hầm sinh khí có dạng hình chữ nhật có nắp vòng cung lại vừa
phù hợp với kỹ thuật xây dựng ở VIỆT NAM. Ở đây với quy mô trang trại khoảng 100
đầu lợn và điều kiện vùng miền trung duyên hải nên ta xây dựng cao hơn mặt đất từ 50
đến 100 cm .
3.2/ Lựa chọn địa điểm
Lựa chọn địa điểm thích hợp là việc làm đầu tiên. Để cho hệ thống hoạt động thuận
lợi, tuổi thọ lâu dài, dễ dàng thi công, việc lựa chọn địa điểm căn cứ vào các yêu cầu sao:
1. Đảm bảo đúng diện tích mặt bằng để xây dựng hầm sinh khí đúng kích thước dự
kiến, tiết kiệm diện tích mặt bằng, không ảnh hưởng đến các công trình khác.
2. Cách xa nơi đất trũng, ao hồ để tránh ngập nước, thuận tiện cho việc thi công và
dữ cho công trình được bền vững lâu dài.
3. Tránh xa nơi có cường độ đất kém, phải sử lý nền móng phức tạp
4. Tránh xa những loại cây lớn vì rể ăn sâu chằn chịt dễ gây thiệt hại và phá vỡ hầm
sinh khí

5. Phải gần nơi cung cấp nguyên liệu để đỡ tốn công vận chuyển và cung cấp
nguyên liệu
6. Gần nơi sử dụng để tiết kiệm đường ống, tránh được tổn thất áp suất và rò rỉ trên
đường ống.
7. Gần nơi tích trữ và chế biến bã thải để bã thải lỏng có thể chảy thẳng vào bể chứa
8. Đặt ở những nơi nắng nhiều nhưng ít gió để có thể giữ nhiệt độ của hầm cao và
ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh khí
3.3/ Chuẩn bị vật liệu xây dựng.
1. Gạch xây: Vì công trình cần lên cao, phải đảm bảo giữ kín, không thấm nước
và khí nên cần phải gạch xây phải loại tốt, kích thước cân đối vá nung chín đều
2. Cát: Cát phải sạch , không được chứa chất bùn hay chất hữu cơ. Tùy theo yêu
cầu công việc mà chọn loại cát thích hợp ví dụ cát xây phải lớn hơn cát vữa trác
3. Ximăng: Thường chọn ximăng có chất lượng tốt
4. Vữa: Vữa xây hay vữa trác có thể dùng vữa ximăng hay hỗn hợp vữa ximăng
vôi. Ximăng tạo cho vữa tính cứng chống thấm nhưng ximăng có tính giòn dể gãy. Vôi
làm cho vữa mền, dính chặt, đặc và chắt hơn. Không có vôi trong vữa thường tạo thành
bọt khí làm cho vữa trở nên rỗng, xốp chống thấm kém. Vì vậy vữa xây và vữa trác nên
có một lượng vôi nhất định
5. Sỏi, đá dăm, gạch vỡ: Chúng là những cấu liệu cần thiết cho bê tông. Đá dăm,
gạch vỡ dính kết với ximăng tốt hơn sỏi yêu cầu là phải sạch không dính đất và các chất
hữu cơ
6. Cốt thép: Phải chọn loại thép có chất lượng tốt, bề mặt lớp si còn láng, không
có những khuyết tật để giảm khả năng ăn mòn, rò rỉ do phân và khí metan tác động lên.
B/ Tính toán.
3.1/ Tính sơ bộ thể tích hầm
Nguyên liệu : phân lợn
Số lượng lợn : 100 con
Lượng thải hàng ngày là : 3kg/ 1 con
Từ đây ta có lượng phân thu được hàng ngày là:
X = 100. 3 = 300 kg

Hiệu quả sinh khí của phân (H):
Theo (TL3) H = 22 đến 40 lít/ngày nên ta chọn H = 30 lít/ngày
Lượng khí sinh ra hằng ngày V
s
Mà X = V
s
/H
Từ đó V
s
=X.H = 300. 30 = 9000 kg/ngày = 9m
3
/ngày
Lượng phân tính theo thể tích hầm /ngày
X
v
=
P
X
=
42,1083
300
= 0,277 m
3
/ngày
Tỉ lệ pha loãn với nước là 1/1
Thời gian tối ưu để phân hủy hoàn toàn phân là từ 30 đến 35 ngày ở nhiệt độ cao.
Chọn T=35 ngày
Vì vậy bể phân hủy có thể tích là:
V = 2.35.0,277 = 19.39 m
3

Từ đó thể tích hầm cần xây dựng để sử lý hết phân là:
V
d
=
1000
35.300.2
= 21m
3
Lượng khí thu được hằng ngày
G =
1000
35.300
= 10.5m
3
Thể tích trữ khí cần có
V
g
= 0,5. 10,5 = 5,25m
3
tức là =
4
1
V
d
Từ những tính toán trên để cho phân được phân hủy hoàn toàn và sinh khí tối đa ta
xây hầm thành 3 khoang thông nhau qua cửa và phần chứa khí có ống thông với nhau
Mô tả sơ bộ tổng quát hầm sinh khí thiết kế
3.2/ Tính toán các bộ phận hầm
3.2.1/ Tính toán phần chứa khí

Như đã tính toán ở phần trước, ta có thể tích khí sinh ra ở hầm là: 9m
3
/ngày
Phần trên hầm chứa khí bằng bê tông
Ta có :V
b
= 21m
3
V
b
=
4

2
π
hh
HD
cho D
h
= H
h
D
h
=
3
4
π
b
V
=

3
14,3
21.4
= 2,99m
Vậy đường kính phần trên hầm là:
D
n
= D
h
+ 2.
2
22,0
= 2,99 + 0,22 = 3,21m
Tính phần chóp của phần hầm
H
c
=
2
n
D
.tg11
0
=
2
21,3
.0,19438 = 0.312m
Vậy vòm hầm là:
V
c
=

3.4

2
π
ch
HD
=
12
14,3.312,0.21,3
2
= 0,84m
3
Thể tích gas cần chứa trong 24h:
V
’
= V
g
.
24
14
= 5,25.0,58 = 3.045m
3
Vậy thể tích hình trụ của nóc là:
V
d
= V
’
– V
c
= 3.045- 0.84 = 2,205m

3
Chiều vòm hầm là:
H
n
=
π
.
4
2
n
d
D
V
=
14,3.21,3
205,2.4
2
= 0,278m
Để đảm bảo chứa hết khí sinh ra từ trong hầm ta tăng chiều cao của phần chứa khí
lên 0.3m ta chọn H
n
= 0.3m
3.2.2/ Các kích thước chính của hầm sinh khí:
Hầm có đường kính bằng chiều cao: D
h
=H
h
= 2.99m
Chiều dày thành dưới của hầm và phần chứa khí là:
1

δ
= 120mm
Độ cao phần chứa khí là: H
n
= 0.278m
Độ dày nắp hầm bằng bê tông là: 10mm
Độ cao mặt nước hầm với mặt nước bể thải là :
∆
H
3.2.3/ Tính trọng lượng vòm hầm bêtông
Chiều dài đường sinh hình chóp:
L =
0
11cos.2
n
D
=
982,0.2
21,3
= 1.63m
Trọng lượng nắp bêtông:
M = V
n
.
ρ
= (
2

π
SlD

pck
+
π
.D
pck
.H
pck
δ
).
ρ
Trong đó
ρ
= 7850kg/m
3
M = (
2
006.0.63.1.21,3.14,3
+ 3,14. 3.21.0,278.0.006). 7850 =518,79 N
Áp suất của gas ở trong nắp:
P =
td
F
M
Mà F =
4
.
2
pck
D
π

=
4
21,3.
2
π
= 8,088 m
2
⇒
P =
088,8
79,518
= 64,14N/m
2
P =
5
10.81,9
10.14,64
= 0,65.10
3
mH
2
0 = 0,65mmH
2
0
Áp suất tuyệt đối của khí trong hầm:
P = 1 + 0,65.10
4−
= 1,000065at
3.2.4/ Tính cách nhiệt cho hầm
1) Tính cách nhiệt cho tường

a.Kết cấu
1. lớp vữa trác
2. gạch xây
3. lớp vữa trác
4. bitum
5. xốp
6. lưới mắt cá
7. lớp vữa trác
8. móc thép
b.Xác định chiều dày cách nhiệt
Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định theo công thức sau:

cn
δ
=
cn
λ
(
tu
k
1
-(
ng
α
1
+
∑
i
i
λ

δ
+
tr
α
1
))(tài liệu một trang 64)
Trong đó :
cn
δ
: chiều dày lớp cách nhiệt, m
cn
λ
: hệ số truyền nhiệt của lớp cách nhiệt ,W/mK
i
δ
: bề dày lớp kết cấu thứ I ,m
i
λ
: hệ số truyền nhiệt của lớp kêt cấu thứ I,m