Luận văn Đánh giá thực trạng và tiềm năng sử dụng khí sinh học tại Gia Xuân Gia Viễn Ninh Bình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

Đinh Mạnh Cường

ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ TIỀM NĂNG
SỬ DỤNG KHÍ SINH HỌC
TẠI GIA XUÂN - GIAVIỄN - NINH BÌNH

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Khoa học môi trường

Hà Nội - 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

Đinh Mạnh Cường

ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ TIỀM NĂNG
SỬ DỤNG KHÍ SINH HỌC
TẠI GIA XUÂN - GIAVIỄN - NINH BÌNH

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
Ngành Khoa học môi trường

Cán bộ hướng dẫn: TS. Hoàng Anh Lê
TS. Nguyễn Thị Hoàng Liên

Hà Nội - 2012


Lời cảm ơn
Qua khóa luận này, em xin được bày tỏ lời cảm ơn đến các thầy cô giáo
Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà
Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập và rèn luyện
trong bốn năm học vừa qua.
Đặc biệt, em xin cảm ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Anh Lê và TS. Nguyễn
Thị Hoàng Liên, giảng viên đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực
hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới ông Mai Xuân Hiến - Chủ tịch xã Gia
Xuân, ông Đinh Thế Thuân - Chủ nhiệm hợp tác xã Gia Xuân, bà Bùi Thị Lan Chủ tịch hội phụ nữ xã Gia Xuân đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện khóa luận.
Ngoài ra, để hoàn thành khóa luận này em còn nhận được sự ủng hộ,
động viên nhiệt tình của gia đình và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2012
Sinh viên

Đinh Mạnh Cường


Danh mục chữ viết tắt
BPD

Văn phòng dự án khí sinh học Trung ương

CTKSH

Công trình khí sinh học

KSH

Khí sinh học

KTV

Kỹ thuật viên

MPĐ

Máy phát điện

PBPD
phố

Văn phòng dự án khí sinh học các tỉnh/thành

QLCL

Quản lý chất lượng

SNV

Tổ chức phát triển Hà Lan

SLLT

Sản lượng lý thuyết

SLTNKSH

Sản lượng tiềm năng khí sinh học

TOE

Tấn dầu tương đương (1 TOE= 10.700Mcal)

VACB

Vườn - ao - chuồng - khí sinh học

UBND

Ủy ban Nhân dân


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Mục lục
Mục lục

i

Danh mục bảng.................................................................................................
Danh mục hình.................................................................................................

Mở đầu

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU........................................................................................
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN........................
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................
PHỤ LỤC 1

44

PHỤ LỤC 2

45

Đinh Mạnh Cường

i

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Danh mục bảng

Bảng 1.1. Thành phần của khí sinh học [5].......................................................
Bảng 1.2: Tài nguyên khí sinh học trên toàn thế giới [14]................................
Bảng 1.3: Tiềm năng khí sinh học tại Việt Nam [7].........................................
Bảng 1.4: Khả năng cho phân và thành phần của phân gia súc, gia cầm [8].
...................................................................................................
Bảng 1.5: Ảnh hưởng của các loại phân tới sản lượng và thành phần khí
thu được [8]...............................................................................
Bảng 1.6: Số liệu thống kê chăn nuôi qua các năm 2010 và năm 2011[12].
.................................................................................................
Bảng 3.1: Sản lượng lý thuyết của một số nguyên liệu phổ biến [6]..............
Bảng 3.2: Sản lượng tiềm năng khí sinh học từ chất thải động vật của xã
Gia Xuân năm 2011................................................................
Bảng 3.3: Sản lượng khí sinh học thực tế sử dụng ở xã Gia Xuân năm
2011.........................................................................................

Đinh Mạnh Cường

ii

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Danh mục hình
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý công nghệ lên men [8]..........................................
Hình 1.2: Bể sinh khí hình trụ tròn với bể chứa khí [11]................................
Hình 1.3: Thiết bị sản xuất khí sinh học túi chất dẻo [11]..............................

Hình 1.4: Hệ thống sản xuất khí mêtan với bể sinh khí hình vòm [11]..........
Hình 1.5: Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT1 [1]..............................
Hình 1.6: Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT2 [1]..............................
Hình 1.7: Năng lượng sản sinh của 1 m3 khí sinh học....................................
Hình 1.8: Sơ đồ tổng quát quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh.................
Hình 1.9: Bản đồ vị trí xã Gia Xuân................................................................
Hình 3.1: Phân bố hầm khí sinh học theo làng của xã Gia Xuân....................
Trong đó các hộ gia đình sử dụng phân lợn làm nguyên liệu chính để sản
xuất khí sinh học. Số liệu thu thập được như sau: 25 con bò,
khoảng 1200 con lợn và 1000 con gà, vịt của 96 hộ gia đình
được sử dụng để sản xuất khí sinh học. Qua đó có thể tính
được thực tế sử dụng năng lượng khí sinh học của xã Gia
Xuân trong năm 2011 như bảng 3.3 dưới đây:........................
Động vật

29

Số lượng

29

Đinh Mạnh Cường

iii
trường

K53 Khoa học Môi


Khóa luận tốt nghiệp 2012

(con)

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

29

Lượng chất thải hàng ngày [6] (kg/ngày/cá thể).............................................
Hàm lượng chất khô của chất thải [6] (%)......................................................
Sản lượng khí sinh học lý thuyết [6]...............................................................
(lít/kg chất khô)...............................................................................................
Sản lượng khí sinh học thực tế sử dụng (lít/kg/năm)......................................
Phân

29

Nước tiểu

29

Bò

29

25

29

15 - 20

29

6 - 10

29

16,3%

29

376,5

29

16.799.900

29

Lợn

29

1200

29

1,2 - 3

29

4-6

29

17 %

29

508

29

340.431.120

29

Gia cầm

29

1000

29

0,02- 0,05

29

Đinh Mạnh Cường

iv

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

25%

29

497,7

29

2.270.750

29

Tổng

29

359.501.770

29

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Hình 3.3: Cơ cấu chi phí năng lượng của gia đình bà Lứa khi........................

sử dụng năng lượng khí sinh học.....................................................................
Hình 3.2: Cơ cấu chi phí năng lượng của gia đình bà Lứa khi chưa...............
sử dụng năng lượng khí sinh học.....................................................................
Hình 3.4: Cơ cấu chi phí năng lượng của gia đình ông Phòng khi chưa.........
sử dụng năng lượng khí sinh học....................................................................
Hình 3.5: Cơ cấu chi phí năng lượng của gia đình ông Phòng khi..................
sử dụng năng lượng khí sinh học.....................................................................

Đinh Mạnh Cường

v

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Mở đầu
Biến đổi khí hậu và gia tăng ô nhiễm môi trường đang là sức ép buộc các
quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển phải thay đổi chính sách năng lượng từ sử
dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt) sang các dạng năng lượng tái tạo.
Năng lượng ngày càng trở thành vấn đề thu hút sự quan tâm của mọi quốc gia trên
thế giới. Câu hỏi là làm thế nào để có thể cân bằng giữa sự phát triển kinh tế với vấn
đề an ninh năng lượng và an ninh môi trường. Câu trả lời là chúng ta cần phải sử
dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, đồng thời cần nhanh chóng tìm ra các nguồn
năng lượng sạch để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống.
Các nguồn năng lượng tái tạo đang được quan tâm nghiên cứu và khai thác
trên thế giới hiện nay rất đa dạng, bao gồm: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,

năng lượng sinh khối và nhiên liệu sinh học, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng
biển, thủy điện quy mô nhỏ…Trong những năm gần đây, Việt Nam đã dành nhiều
sự quan tâm thích đáng đối với việc nghiên cứu và phát triển các dạng năng lượng
tái tạo. Điều đó được thể hiện ở các chiến lược và chính sách cũng như các chương
trình phát triển năng lượng quốc gia, trong đó năng lượng sinh khối và khí sinh học
được tập trung phát triển nhiều hơn cả.
Công nghệ khí sinh học (KSH) là một công nghệ đa mục tiêu, được sử dụng
để xử lý chất thải hoặc sản xuất KSH. Do vậy, đây được xem là công nghệ môi
trường hoặc công nghệ năng lượng tái tạo.
Ở Việt Nam, cùng với sự phát triển ngành chăn nuôi nói riêng và kinh tế nói
chung, công nghệ KSH đã phát triển để đáp ứng nhu cầu về môi trường và năng
lượng. KSH được bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1960 trên cả nước.
Theo ông Nguyễn Quang Khải (giám đốc Trung tâm công nghệ khí sinh học) cho
biết, tiềm năng khí sinh học từ nông nghiệp (phụ phẩm cây trồng và chất thải chăn
nuôi) ở nước ta là rất lớn, khoảng 10 tỷ m 3/năm (1m3 khí tương đương 0,5 kg dầu) .
Công nghệ KSH trong những năm qua chủ yếu phát triển và ứng dụng ở quy mô
gia đình. Hiện nay chưa có thống kê chính xác nhưng theo đánh giá của chương
trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn thì hiện có
khoảng 7% chuồng trại chăn nuôi có xử lý chất thải (mục tiêu đề ra là 30%). Riêng
dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Hà Lan tài trợ
cho đến cuối năm 2011 dự án đã hỗ trợ xây dựng trên 114.000 công trình khí sinh
học, đào tạo 807 kỹ thuật viên tỉnh và huyện, 1.398 đội thợ xây khí sinh học và tổ
chức hàng ngàn hội thảo tuyên truyền và tập huấn cho hàng trăm ngàn người sử
Đinh Mạnh Cường

1

K53 Khoa học Môi trường

Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

dụng khí sinh học [1]. Các công nghệ được ứng dụng đều do Việt Nam phát triển và
đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn xây dựng thành thiết kế mẫu
trong bộ tiêu chuẩn ngành về công trình KSH nhỏ. Sử dụng chủ yếu là dùng KSH
để đun nấu. Thắp sáng và phát điện cũng được ứng dụng nhưng không phổ
biến. Hiện nay việc phát triển chăn nuôi nhanh đã tạo ra nhu cầu xử lý
chất thải vật nuôi, thúc đẩy công nghệ KSH phát triển mạnh mẽ. Trong
tình hình đó, việc giới thiệu, quảng bá hoạt động ngành khí sinh học qua
nhiều kênh thông tin khác nhau nhằm nâng cao nhận thức và ứng dụng cho khu vực
nông nghiệp, nông thôn Việt Nam là rất cần thiết.
Vì lý do đó, đề tài “Đánh giá thực trạng và tiềm sử dụng khí sinh học tại
Gia Xuân - Gia Viễn - Ninh Bình” được lựa chọn để tiến hành nghiên cứu. Mục
tiêu nghiên cứu của đề tài là nhằm đánh giá tiềm năng lý thuyết về sản lượng và
thực trạng sử dụng khí sinh học tại xã Gia Xuân - huyện Gia Viễn - tỉnh Ninh Bình.
Qua đó, đề tài đề xuất một số giải pháp nhằm đẩy mạnh việc phát triển khí sinh học
phục vụ phát triển bền vững nông thôn mới tại xã nghiên cứu cũng như các khu vực
khác có điều kiện tương tự.
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và khuyến nghị, tài liệu tham khảo và phụ
lục, khóa luận gồm có 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Đinh Mạnh Cường

2

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về khí sinh học trên thế giới và Việt Nam

1.1.1. Khái niệm về khí sinh học
Biogas hay còn gọi là khí sinh học (KSH), là một hỗn hợp khí được sản sinh
ra từ sự phân huỷ những chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường
yếm khí. Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan (CH4)[6].
Khí đốt thiên nhiên cũng có chất như KSH. Khí này được hình thành qua
nhiều thời kỳ địa chất nên có hàm lượng CH4 rất cao, thường trên 90%.
1.1.2. Sự hình thành khí sinh học
Cơ thể sinh vật (động vật, thực vật...) được cấu tạo chủ yếu từ các chất hữu
cơ. Các chất này thường bị thối rữa do tác động của các vi sinh vật. Quá trình này
được gọi là quá trình phân giải. Thường phân biệt 2 quá trình phân giải:
• Phân giải hiếu khí (hay háo khí) xảy ra trong môi trường có oxy.
• Phân giải kỵ khí (hay yếm khí) xảy ra trong môi trường không có hoặc thiếu
oxy.
Quá trình phân giải kỵ khí sinh ra một hỗn hợp khí gọi là KSH (biogas) với 2
thành phần chủ yếu là khí CO2 và khí CH4. Do CH4 là khí cháy được nên KSH có
khả năng cháy được.
Trong thiên nhiên, KSH được sinh ra ở những nơi nước sâu, tù đọng thiếu
oxy như các đầm lầy (khí đầm lầy), dưới đáy ao, hồ, giếng sâu, ruộng lúa ngập

nước, bãi rác (khí bãi rác) hoặc trong bộ máy tiêu hoá của động vật (khí ruột).
KSH còn được sinh ra ở các mỏ than đá (khí mỏ), dầu mỏ (khí đồng hành) và
khí thiên nhiên do các quá trình biến đổi địa hoá xảy ra hàng triệu năm.
Trong điều kiện nhân tạo, KSH được sinh ra trong các thiết bị KSH nhờ công
nghệ lên men yếm khí.
1.1.3. Thành phần và tính chất của khí sinh học
1.1.3.1. Thành phần của khí sinh học
Khí sinh học là một hỗn hợp của nhiều chất khí. Thành phần KSH tuỳ thuộc
vào loại nguyên liệu tham gia vào quá trình phân giải và các điều kiện trong quá
trình đó như nhiệt độ, độ pH, chất lượng nước... và cũng tuỳ thuộc cả vào các giai
đoạn phân giải.
Đinh Mạnh Cường

3

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Bảng 1.1. Thành phần của khí sinh học [5].
Loại khí

Tỉ lệ (%)

CH4

50 - 70

CO2

30 - 45

N2

0-3

H2

0-3

O2

0-3

H2S

0-3

 Khí mêtan (CH4)
Trong KSH CH4 là thành phần chủ yếu, chiếm tỷ lệ cao nhất. CH 4 cũng là
thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên (thường chiếm trên 90%). CH 4 không màu,
không mùi, nhẹ bằng nửa không khí, ít hoà tan trong nước, hoá lỏng ở nhiệt độ
-161,5oC trong điều kiện áp suất khí quyển. Việc hoá lỏng CH 4 rất tốn năng lượng
nên người ta thường không hoá lỏng CH 4 cũng như không hoá lỏng KSH và khí
thiên nhiên. Khi cháy CH4 có ngọn lửa màu lơ nhạt và phản ứng sinh nhiệt:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJ
Nhiệt trị (nhiệt lượng toả ra khi cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên

liệu) của CH4 là 35.906 kJ/m3 = 8.576 kcal/m3.
 Các-bon-nic ( CO2)
Thành phần chủ yếu thứ hai của KSH là khí CO2. Khí này không màu, không
mùi, không cháy được, không duy trì sự sống, nặng gấp rưỡi không khí. Tỷ lệ CO 2
cao sẽ làm giảm chất lượng của KSH.
 Hidro sunfua (H2S)
Trong thành phần của KSH có khí H2S là khí không màu, có mùi hôi như
mùi “trứng thối”, khiến cho KSH cũng có mùi hôi, giúp ta dễ nhận biết được KSH
nhờ khứu giác. Nồng độ H2S trong KSH sản xuất từ chất thải người và gia cầm cao
hơn từ các nguyên liệu khác nên rất khó chịu. Tuy nhiên, khí H 2S cũng là khí cháy
được nên khi đốt KSH sẽ hết mùi hôi. H2S rất độc, nếu ngửi nhiều sẽ đau đầu, buồn
nôn, không phân biệt được các mùi khác nhau. Các khí CO2 và H2S khi hoà tan
Đinh Mạnh Cường

4

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

trong nước tạo thành các axit gây ăn mòn các bộ phận kim loại. Vì vậy trong công
nghiệp, người ta phải lọc những tạp chất này đi.
1.1.3.2.

Tính chất của khí sinh học

KSH là một khí ướt vì chứa hơi nước bão hoà bay hơi từ dịch phân giải. Hơi

nước sẽ ngưng tụ trong đường ống và cần được tháo đi. Vì thành phần của KSH
thay đổi, nên các tính chất cũng thay đổi theo. KSH với tỷ lệ 60% CH 4 và 40% CO2
có khối lượng riêng là 1,2196 kg/m 3 và tỷ trọng so với không khí là 0,94. Như vậy,
KSH nhẹ hơn không khí. Nhiệt trị (nhiệt năng) của KSH chủ yếu được xác định
bằng hàm lượng CH4 trong thành phần:
QKhí sinh học = QCH4 x CH4%
Trong đó QKhí sinh học là nhiệt trị của KSH.
QCH4 là nhiệt trị của CH4.
CH4% là hàm lượng CH4 theo thể tích.
Sự có mặt của CO2 làm giảm hàm lượng CH4 nghĩa là giảm chất lượng KSH.
Thông thường lấy CH4% = 60%. Khi đó KSH có nhiệt trị là:
8,576 Kcal/m3 x 0,6 = 5.146 Kcal/m3
1.1.4. Tiềm năng khí sinh học trên thế giới
Việc giá dầu thô liên tục tăng đã gây sức ép đối với các nhà khoa học thế
giới trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới. KSH hiện đang được coi là một lời
giải hoàn hảo cho bài toán kinh tế đồng thời cũng làm vừa lòng các nhà hoạt động
môi trường. Các nhà môi trường cho rằng quá trình sản xuất KSH giảm tới 40% khí
thải CO2 do được sản xuất thông qua quá trình phân huỷ các chất thải hữu cơ của
ngành nông nghiệp, lâm nghiệp và các hoạt động sinh hoạt của con người.
Năm 1884, nhà Bác học Pháp Louis Pasteurs tiên đoán: "Khí sinh học sẽ là
nguồn nhiên liệu thay thế cho than đá trong tương lai". Nhưng tới khi khoa học kỹ
thuật phát triển như ngày nay, KSH mới bắt đầu được chú ý. Nguyên nhân quan
trọng thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu tới KSH là cách thức và nguyên liệu
để sản xuất ra nó.
Trong những năm gần đây, phân huỷ kỵ khí đã phát triển từ một kỹ thuật
biến đổi sinh khối tương đối đơn giản, với mục đích chủ yếu là sản xuất năng lượng,
thành một hệ thống đa chức năng:
Đinh Mạnh Cường

5

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

 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.
KSH đã được sử dụng vào các mục đích khác nhau: sản xuất nhiệt hoặc hơi;
sản xuất điện hoặc điện kết hợp với nhiệt (đồng phát); nguồn năng lượng để cấp
nhiệt, hơi hoặc điện và làm mát; nhiên liệu cho xe cộ…
Hoạt động nghiên cứu chuyển từ những nghiên cứu cơ bản về quá trình phân
huỷ kỵ khí của các cơ chất tương đối đồng nhất với hàm lượng chất rắn hữu cơ
trong giới hạn khoảng 5 - 10%, sang sự phân huỷ của những nguyên liệu phức tạp
hơn đòi hỏi những kiểu bể phân huỷ cải tiến hiệu quả hơn. Công nghệ 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. Những bể phân huỷ truyền thống, xử lý chất thải vật nuôi quy mô gia đình đã
được sử dụng ở Trung Quốc, Ấn Độ và nhiều nước khác. Ngày nay Trung Quốc dẫn
đầu thế giới trong số các nhà máy KSH với ước tính khoảng 50 triệu hộ gia đình sử
dụng KSH. Đây chủ yếu là các nhà máy nhỏ, quy mô gia đình và làng. Còn ở Ấn
Độ được ước tính có hơn 4 triệu nhà máy KSH [16].
Bảng 1.2: Tài nguyên khí sinh học trên toàn thế giới [14].
Nguồn nguyên liệu

Sản xuất khí sinh học
(TOE/năm)

Sản lượng khí sinh học
thực tế (TOE/năm)

Chất thải rắn đô thị
và công nghiệp

750

60 - 100

Nước thải đô thị và
công nghiệp

50

40 - 50

Phụ phẩm nông
nghiệp

1000

40 - 150

Tổng

1800

140 - 300

Các nhà máy phân huỷ kỵ khí lớn, tập trung (ở đó các trang trại và công
nghiệp cùng hợp tác trong một tổ chức) là một phát triển mới. Những nhà máy này
Đinh Mạnh Cường

6

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

phân huỷ một số lượng lớn phân động vật, phụ phẩm cây trồng, chất thải của các lò
mổ và của công nghiệp chế biến lương thực, bùn cống và rác hữu cơ đã được tách ra
của các gia đình. Theo số liệu năm 2002, số nhà máy này ở Đan Mạch là 20, trong
khi toàn thế giới có khoảng trên 50 nhà máy, tất cả đều ở Châu Âu. Phát triển mới
này đã thành công tốt đẹp. KSH đã được sản xuất và sử dụng ở quy mô công
nghiệp. Khí được lọc sạch (hàm lượng metan tới 97%) và đưa hoà vào mạng lưới
cấp khí thiên nhiên để cung cấp cho các hộ tiêu thụ.
Người ta ước tính KSH sản xuất từ phụ phẩm của 1 ha trồng ngô có thể đủ
cho một chiếc xe hơi chạy 70.000 km, gần 2 lần vòng quanh xích đạo trái đất. Trên
thế giới, năm 2007 ước tính 12.000 xe đang được thúc đẩy với KSH được nâng cấp
trên toàn cầu, và dự đoán với 70.000 xe chạy nhiên liệu KSH vào năm 2010. Hầu
hết đều là ở Châu Âu (Thụy Điển chiếm nhiều nhất) [15].
1.1.5. Tiềm năng khí sinh học tại Việt Nam
Việt Nam với 80% dân số sống ở nông thôn, nên nguồn khí KSH được xem

là rất dồi dào. Đây là một trong những nguồn quan trọng giúp tiết kiệm nguồn năng
lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt hiện nay.
Bảng 1.3: Tiềm năng khí sinh học tại Việt Nam [7].
Nguồn nguyên liệu

Tiềm năng
(triệu m3)

Dầu tương đương
(triệu TOE)

Tỉ lệ
(%)

Phụ phẩm cây trồng

1.788,973

0,894

36,7

1. Rơm rạ

1470,133

0,735

30,2

2. Phụ phẩm các cây
trồng khác

318,840

0,109

6,5

Chất thải của gia súc

3.055,678

1,525

63,3

1. Trâu

441,438

0,221

8,8

2. Bò

495,864

0,248

10,1

3. Lợn

2118,376

1,059

44,4

Tổng

4.844,652

2,422

100,0

Tuy hiện tại, giá thành KSH vẫn cao hơn so với các loại nhiên liệu chế biến
từ dầu mỏ, nhưng với tình hình giá dầu thô tăng cao như hiện nay, khoảng cách đó
sẽ dần bị thu hẹp trong tương lai.
Đinh Mạnh Cường

7

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Việc sử dụng KSH không chỉ giải quyết vấn đề khủng hoảng năng lượng, mà
còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đây là nguồn năng lượng tái sinh làm
giảm hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển. Tại Việt Nam, việc tìm kiếm những
nguồn nhiên liệu sạch với môi trường cũng đã được quan tâm nhiều hơn. Trong
tương lai, rất có thể KSH cũng sẽ là một sự lựa chọn thực sự thân thiện với môi
trường.
Hiện tại, nguồn KSH từ bãi rác chôn lấp, phân động vật, phụ phẩm nông
nghiệp hiện mới đang được ứng dụng trong đun nấu. Lí do, vì đây là nguồn nguyên
liệu phân tán, nhỏ lẻ. Hiện nay, số lượng bể KSH ở Việt Nam đạt 140.000 hầm
KSH tại 53 tỉnh thuộc các vùng khác nhau trong cả nước [4]. Tiềm năng lý thuyết
của KSH ở Việt Nam là khoảng 10 tỉ m 3/năm (1 m3 khí tương đương 0,5 kg dầu).
Hiện tại đang có một số thử nghiệm dùng KSH để phát điện.

1.2.

Một số công nghệ sản xuất khí sinh học tại Việt Nam

1.2.1. Khái quát về công nghệ khí sinh học
Công nghệ KSH là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh, để tạo
ra KSH sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất.
Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất KSH là ao bùn, phế liệu, phế thải
trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến
nông - lâm sản. Phân động vật và các chất thải rắn như rơm rạ rất thích hợp cho lên
men kỵ khí. Vi sinh vật thường hay sử dụng nguồn hữu cơ cacbon nhanh hơn sử
dụng nitơ khoảng 30 lần. Do vậy nguyên liệu có tỉ lệ C/N là 30/1 sẽ thích hợp nhất
cho lên men kỵ khí. Trong thực tế, người ta thường đảm bảo tỉ lệ trên trong khoảng
20 - 40. Phân gia súc có tỉ lệ C/N trong giới hạn này, nên rất thích hợp và được xem

là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất KSH. Phân người có tỷ lệ C/N là 5/10, như vậy,
rất giàu nitơ và khi sử dụng vào làm nguyên liệu cần phải trộn thêm các nguồn giàu
xenlulozơ, nghèo nitơ [8].

Bảng 1.4: Khả năng cho phân và thành phần của phân gia súc, gia cầm [8].

Đinh Mạnh Cường

8

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Vật
nuôi

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Khả năng cho
phân của
500 kg vật
nuôi/ngày

Thành phần hóa học (% khối lượng
phân tươi)

Thể
tích

(m3)

Trọng
lượng
tươi
(kg)

Chất
tan dễ
tiêu

Nitơ

Photpho

Tỷ lệ C/N

Bò sữa

0,038

38,5

7,98

0,38

0,10

20 - 25

Bò thịt

0,038

41,7

9,33

0,70

0,20

20 - 25

Lợn

0,028

28,4

7,02

0,83

0,47

20 - 25

Trâu bò

-

6,78

10,2

0,31

-

-

Gia cầm

0,028

31,3

16,8

1,20

1,20

7 - 15

Bảng 1.5: Ảnh hưởng của các loại phân tới sản lượng và thành phần khí
thu được [8].
Nguyên liệu

Sản lượng khí
(m3/kg phân khô)

Hàm lượng
CH4 (%)

Thời gian lên
men (ngày)

Phân trâu

1,11

57

20

Phân bò

0,86

58

10

Phân gia cầm

0,56

69

9

Phân lợn

1,02

68

20

Phân người

0,38

-

21

1.2.2. Cơ sở lí thuyết của công nghệ sản xuất khí sinh học

Đinh Mạnh Cường

9

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ
sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được: H 2, H2S, NH3, CH4, C2H2 … trong đó CH4
là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men khí mêtan).
Quá trình lên men khí meetan có 3 giai đoạn:
• Giai đoạn 1: Biến đổi chất hữu cơ phức tạp thành chất hữu cơ đơn giản.
• Giai đoạn 2: Hình thành acid.
• Giai đoạn 3: Hình thành khí mêtan.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men:
 Điều kiện kỵ khí: không có O2 trong dịch lên men.
 Nhiệt độ: quy mô nhỏ thực hiện ở 30 - 35ºC, quy mô lớn có cơ khí hóa và tự
động hóa thực hiện ở 50 - 55º C.
 Độ pH: 6,5 - 7,5 (nếu < 6,4 thì vi khuẩn giảm sinh trưởng và phát triển).
 Tỉ lệ C/N: 30/1 là tốt nhất.
 Tỉ lệ pha loãng: tỉ lệ nước/phân dao động từ 1/1 tới 7/1. Tỉ lệ pha loãng đối
với phân bò là 1/1, phân lợn là 2/1 đang được phổ biến nhất.
 Sự có mặt của không khí và độc tố: tuyệt đối không có oxy. Các ion NH 4,
Ca, K, Zn, SO4 ở nồng độ cao có ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của vi
khuẩn sinh metan.
 Đặc tính của nhiên liệu.
 Tốc độ bổ sung nguyên liệu: bổ sung đều đặn thì sản lượng khí thu được cao.
 Khuấy đảo môi trường lên men: tăng cường sự tiếp xúc cơ chất.
 Thời gian lên men: 30 - 60 ngày.
1.2.3. Quy trình sản xuất khí sinh học
Quy trình sản xuất KSH tuân theo 3 giai đoạn chính:
• Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu:
Chọn lọc và xử lí nguyên liệu phù hợp với yêu cầu sau: giàu xenluloza, ít
lignin, NH4 ban đầu khoảng 2000 mg/1, tỉ lệ C/N từ 20 - 30, hòa tan trong nước

(hàm lượng chất khô từ 9 - 9,4%, với chất tan dễ tiêu khoảng 7%).
• Giai đoạn lên men: lên men theo mẻ, liên tục hoặc bán liên tục.
• Giai đoạn sau lên men: thu và làm sạch khí.

Đinh Mạnh Cường

10

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý công nghệ lên men [8].
1.2.4. Công nghệ hầm khí sinh học trên thế giới và Việt Nam
Qua tình hình nghiên cứu và phát triển năng lượng KSH trên thế giới trong
những năm qua, hiện trạng các hệ thống công nghệ năng lượng KSH trên thế giới
cũng như ở Việt Nam được phát triển theo mô hình VACB và ba xu hướng phát
triển công nghệ năng lượng KSH chính như sau:
1. Xu hướng thứ nhất ở các nước công nghiệp phát triển, phần lớn các cơ sở
sản xuất KSH triển khai trên quy mô công nghiệp (ở các nhà máy sản xuất KSH cỡ
lớn). Nguồn nguyên liệu chính được sử dụng là chất thải của các thành phố, các khu
công nghiệp và cả các phế liệu nông nghiệp. KSH từ các nhà máy này được sử dụng
làm nguyên liệu cung cấp cho các nhà máy hóa chất, hoặc được sử dụng làm chất
đốt phục vụ sinh hoạt.
2. Xu hướng thứ hai phát triển trên quy mô bán công nhiệp (ở những bể sản
xuất KSH cỡ vừa). Các bể này phần lớn sử dụng các chất thải của các xí nghiệp
thực phẩm làm nguyên liệu. Khí sản xuất ra được dùng trực tiếp để cung cấp năng

lượng điện (cho các động cơ đốt trong), làm chất đốt sinh hoạt, chế biến nông sản,
làm nhiên liệu chạy các động cơ máy nông nghiệp. Đại diện cho xu hướng này là
Ấn Độ và một số nước Châu Á.
3. Xu hướng thứ ba phát triển trên quy mô các bể phân hủy cỡ nhỏ, phục vụ
nhu cầu chất đốt sinh hoạt và thắp sáng trong phạm vi từ 1 đến 3 gia đình.
Trong đó, ở Việt Nam hiện trạng công nghệ KSH đang ứng dụng mạnh theo
xu hướng thứ 2 và thứ 3. Trong đó xu hướng thứ 3 hiện đang phát triển phổ biến và
đã đem lại những hiệu quả nhất định trong những năm qua.
Đinh Mạnh Cường

11

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Hầm khí sinh học là thiết bị thực hiện quá trình biến đổi sinh khối thành khí
sinh học. Một trong các yêu cầu quan trọng nhất đối với hầm khí sinh học là phải
kín để các chủng vi khuẩn kỵ khí hoạt động bình thường tạo ra metan.
Từ khi bắt đầu tìm ra khí sinh học đưa vào ứng dụng cho tới nay, các mô
hình khí sinh học đã không ngừng thay đổi nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng khí sinh học đã được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng và cải tiến. Hiện
nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang sử dụng các loại hầm khí sinh học có
nắp trôi nổi, hầm có nắp cố định và hầm làm bằng chất dẻo. Các loại hầm này đều
có cấu tạo gồm các thành phần chính là:
-

Cửa nạp nhiên liệu.

-

Buồng lên men, phân hủy và tạo khí.

-

Buồng chứa khí (hệ thu khí gồm: van, đường ống, các thiết bị đo lường).

-

Ngăn tháo cặn bùn đã lên men.

Hình 1.2: Bể sinh khí hình trụ tròn với bể chứa khí [11].

Đinh Mạnh Cường

12

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Hình 1.3: Thiết bị sản xuất khí sinh học túi chất dẻo [11].

Hình 1.4: Hệ thống sản xuất khí mêtan với bể sinh khí hình vòm [11].

Hiện nay, công nghệ khí sinh học theo hai mô hình KT1 (hình 1.5) và KT2
(hình 1.6) là khá phổ biến. Bên cạnh đó, một số đơn vị có cải tiến các mô hình này
như viện khoa học năng lượng…nhằm nâng cao hiệu quả của việc sử dụng năng
lượng khí sinh học. Dự án áp dụng công nghệ khí sinh học nắp cố định vòm cầu
kiểu KT1 và KT2 có thể tích phân giải từ 4,2 m3 đến 48,8m3.
Kiểu KT1 được ứng dụng tại những vùng có nền đất tốt, mực nước ngầm
thấp, có thể đào sâu và diện tích mặt bằng hẹp.

Đinh Mạnh Cường

13

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Hình 1.5: Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT1 [1].
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 1.6: Thiết bị khí sinh học nắp cố định kiểu KT2 [1].
1.2.5. Ứng dụng - lợi ích của khí sinh học
1.2.5.1.

Ý nghĩa kinh tế

 Sản xuất nguồn năng lượng sử dụng tại chỗ :

Bằng cách thu gom khí sinh học và sản xuất năng lượng cho nông trại, ta có
thể giảm thiểu hoặc loại bỏ các khoản chi phí vào năng lượng hàng tháng. Điện
năng được sản xuất từ việc sử dụng khí sinh học thông qua một máy phát điện và
được dùng để đun nấu hoặc thắp sáng. Năng lượng nhiệt dùng để làm nóng nước
hoặc sưởi ấm nhà cửa thu được qua một hệ thống tạo nhiệt nối với máy phát điện.
Ngoài việc giải quyết vấn đề chất đốt, một lượng lớn lao động trước đây
dùng để kiếm củi và vận chuyển than, bây giờ có thể đưa vào sản xuất nông nghiệp.
Đinh Mạnh Cường

14

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Mỗi hộ gia đình có hầm khí sinh học mỗi tháng tiết kiệm từ 80.000 - 100.000
đồng tiền mua nguyên liệu đốt, và khoảng 2 - 3 năm là thu hồi vốn đầu tư một hầm
khí sinh học. Việc giảm nhu cầu đun củi đã tránh được nạn phá rừng và tăng thêm
diện tích rừng.
Dựa trên cơ sở nhiệt trị của khí sinh học Hesse (1982) ước tính rằng 1 m 3 khí
sinh học đủ để [13] :
-

Cung cấp một điện năng khoảng 1,25 kWh.

-

Cung cấp năng lượng để nấu ăn ngày 3 buổi cho gia đình 6 người.

-

Thắp sáng trong vòng 7 giờ (độ sáng tương đương đèn 60 W).

-

Chạy 1 tủ lạnh 1 m3 trong 1 giờ.

-

Chạy một lò sưởi 1 m3 trong nửa giờ…

Như vậy 1 m3 khí sinh học tương đương với 0,4 kg dầu diesel; 0,6 kg dầu
hỏa; 0,8 kg than.

Hình 1.7: Năng lượng sản sinh của 1 m3 khí sinh học.
 Cung cấp chất dinh dưỡng :
Các chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong chất thải thường tồn tại dưới
dạng phức chất và rất khó hấp thụ bởi cây trồng. Sau khi phân hủy ít nhất 50% N
hiện diện dưới dạng NH4+, có thể thực hiện quá trình nitrate hóa tạo thành NO 3. Vì
Đinh Mạnh Cường

15

K53 Khoa học Môi trường


Khóa luận tốt nghiệp 2012

Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

vậy quá trình phân hủy sẽ tăng độ hữu dụng của N trong các hợp chất hữu cơ từ 30 60%, hàm lượng P, K không thay đổi trong quá trình phân hủy.
- Cung cấp phân hữu cơ giàu dinh dưỡng cho trồng trọt: có thể dùng để tưới
tiêu lên các luống rau và xung quanh cây ăn quả hoặc có thể đào mương dẫn trực
tiếp ra đồng ruộng.
- Cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi: khi các chất hữu cơ phân hủy kị
khí, một phần quan trọng được chuyển hóa thành các axit amin mới do quá trình
tăng trưởng sinh khối của các vi khuẩn.
- Nuôi thủy sản: khi bã thải được đưa vào ao, các chất dinh dưỡng kích thích
sự phát triển của các thực vật phù du (tảo) và các động vật phù du (thủy tức, giáp
xác…) là nguồn thức ăn cho cá.

Hình 1.8: Sơ đồ tổng quát quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh.
1.2.5.2.

Ý nghĩa môi trường

- Ổn định chất thải: các phản ứng sinh học xuất hiện trong quá trình phân hủy
yếm khí sẽ làm giảm nồng độ của các chất hữu cơ từ 30 - 60% và ổn định bùn có
thể làm phân bón và cải tạo đất.
- Giảm mùi hôi: hệ thống khí sinh học có khả năng làm giảm những mùi khó
chịu từ những bãi chứa phân.
-

Giảm sự ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm.

-

Cải thiện sức khỏe cộng đồng…

Đinh Mạnh Cường

16

K53 Khoa học Môi trường