BAO CAO NHA MAY DIEN BIGAS NHOM 10

NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Đề
tài:

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT
SVTH:

MSSV:

TRẦN HỮU DƯ
TRẦN TRUNG CHÁNH
MAI PHÚ KHANG

TPHCM, tháng 12 năm 2014

1


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Chương 1. MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu năng lượng về
dầu mỏ nhằm đáp ứng nhu cầu cho các hoạt động sống của con người ngày càng lớn,
nhưng khả năng cung cấp nó thì ngày càng giảm. Người ta dự tính khoảng 100 năm
nữa nguồn năng lượng từ thiên nhiên như dầu mỏ, than đá … sẽ cạn kiệt. Đây thật sự
là một thách thức to lớn đối với toàn thể ngành năng lượng của thế giới mà trong đó có
Việt Nam. Vậy làm sao có nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng
truyền thống là điều mà nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu ứng
dụng từ lâu. Riêng đối với Việt Nam là một nước đang phát triển, đời sống nhân dân
còn nhiều khó khăn cộng với những vấn đề về môi trường nên nguồn năng lượng mới
phải đáp ứng thêm hai yêu cầu sạch và rẽ tiền. Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn
năng lượng sinh khối (chất thải từ nông nghiệp, rác, nước thải đô thị...), phân bổ rộng
khắp trên toàn quốc. Một số dạng sinh khối có thể sản xuất điện hoặc áp dụng công
nghệ đồng phát năng lượng (sản xuất cả điện và nhiệt). Lượng sinh khối khổng lồ này,
nếu không được xử lý sẽ là nguồn ô nhiễm lớn và phát sinh liên tục, gây nên những ảnh
hưởng nghiêm trọng đến các hệ sinh thái (đất, nước và không khí) cũng như sức khỏe
con người. Thêm vào đó, với sự phát triển sản xuất và đô thị hóa, sức chịu tải của các
hệ sinh thái giảm đi, chắc chắn các xung đột môi trường liên quan sẽ gia tăng.
Do đó, vấn đề lớn đặt ra là làm sao xử lý được các chất thải sinh khối phát sinh trong
một thời gian ngắn nhất, đồng thời tận dụng hiệu quả năng lượng thu được từ quá trình
xử lý này. Câu trả lời tốt nhất cho vấn đề môi trường này là giải pháp công nghệ biogas.
Ở quy mô lớn, sản phẩm Biogas khi được chuyển hóa thành điện năng có thể hòa vào
mạng điện chung, sử dụng trong như tất cả các nghành sản xuất và sinh hoạt.
Theo GS. Pavel Jenicek, Đại học Công nghệ hóa Praha, Cộng hòa Séc, Việt Nam có rất
nhiều yếu tố thuận lợi để phát triển công nghệ biogas: "Việt Nam là nước nhiệt đới, nóng
ẩm quanh năm, thuận lợi cho các vi sinh vật sản xuất biogas phát triển. Nguồn sinh khối
dồi dào từ sản xuất nông nghiệp và bùn hữu cơ trong nước thải (organic sludge), ước tính
ít nhất 22 kg/người/ năm, chính là nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất biogas".

2

NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Bùn cặn từ quá trình xử lý nước thải kèm sản xuất biogas dùng làm phân bón cho nông
nghiệp
Việc sản xuất khí Biogas từ chất thải sinh khối tại Việt Nam đã đã có từ lâu và không
phải là công nghệ mới. Tuy nhiên, nó chỉ mới được ứng dụng một cách nhỏ lẻ, manh
mún ở quy mô hộ gia đình, nhóm hộ gia đình gắn với mô hình kinh tế V.A.C. hay một ở
một số trại chăn nuôi nhỏ.
Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu tăng thị phần của năng lượng tái tạo trong tổng
năng lượng thương mại sơ cấp từ 3% năm 2010 lên 4.5% năm 2020 và 6% năm 2030.
Tuy nhiên, để phát triển được công nghệ Biogas ở quy mô lớn, ứng dụng rộng rãi trên cả
nước tạo ra sản lượng điện lớn, đủ để hòa chung với lưới điện quốc gia thì còn rất nhiều
việc cần làm.
Nhà nước cần tạo hành lang pháp lý, môi trường kinh doanh hấp dẫn, thu hút mọi thành
phần kinh tế, các nhà đầu tư trong và ngoài nước, từ đó hình thành thị trường cạnh tranh
liên quan đến kinh doanh, xử lý chất thải và sản xuất biogas. Các doanh nghiệp môi
trường sẽ cạnh tranh nhau qua cơ chế đấu thầu để "được" xử lý chất thải. Nhà nước sẽ
chỉ quản lý bằng các công cụ kinh tế, kiểm soát bằng các tiêu chuẩn môi trường sao cho
các doanh nghiệp thu được lợi nhuận từ việc sản xuất biogas, môi trường được xử lý tốt
hơn với một chi phí thấp nhất.
Điều kiện tiên quyết để xử lý tốt chất thải nói chung và sản xuất biogas nói riêng là phải
3


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

có hệ thống tập trung thu gom chất thải, từ đó có thể phân loại, xử lý và sản xuất biogas.
Thực tế nước ta hiện nay ở phần lớn các đô thị như thị trấn, thị xã, huyện và nhiều thành
phố chưa có quy hoạch hay dành quỹ đất cho các công trình xử lý môi trường, trong khi
các khu chung cư, đô thị mới được xây dựng ồ ạt, tùy hứng. Đây là điều bất hợp lý, thể
hiện việc quản lý đô thị theo tư duy nhiệm kỳ, thiếu tầm nhìn dài hạn. Do đó, trong quy
hoạch, cần phải dành một diện tích đủ lớn, ở vị trí thích hợp cho công trình xử lý chất
thải. Nếu chưa đủ điều kiện triển khai, có thể để trống hay chỉ sử dụng vào các mục đích
ngắn hạn, để khi triển khai sẽ không mất chi phí lớn cho đền bù giải tỏa. Mặt khác, tác
động ra môi trường xung quanh là điều khó tránh khỏi, ngay cả với những trạm xử lý khá
hiện đại ở các nước phát triển nên nhất định phải có hoạch định trước để có hướng phát
triển các công trình lân cận trong tổng thể quy hoạch chung, tránh các xung đột môi
trường phát sinh không đáng có trong tương lai. Theo kinh nghiệm của các nước phát
triển, làm tốt được khâu quy hoạch trong đó có quy hoạch môi trường và đảm bảo duy trì
tuân thủ đúng quy hoạch là yêu tố quyết định để phát triển đô thị bền vững. Công nghệ
sản xuất biogas từ sinh khối không phải là công nghệ cao và khó nắm bắt, tiếp thu. Tuy
nhiên, để có thể xử lý chất thải và sản xuất biogas ở quy mô lớn và đồng bộ thì trình độ
khoa học trong nước và năng lực của các doanh nghiệp trong nước chưa đáp ứng được
ngay, trong khi đòi hỏi của thực tế rất cấp thiết. Do đó, trước tiên, Việt Nam nên hợp tác
với công ty nước ngoài để tận dụng công nghệ và thiết bị mới, hiện đại, đồng bộ đã được
kiểm chứng, vận hành thành công tại các nước phát triển.
Bằng cách này, ban đầu sẽ xây dựng được các mô hình chuẩn về xử lý biogas, từ đó có
thể học hỏi nhằm đẩy mạnh năng lực nghiên cứu và sản xuất của các doanh nghiệp môi
trường trong nước, tiến tới tự chủ, phát triển và ứng dụng phổ biến được công nghệ này.
Phân tích đặc điểm của nền kinh tế, và phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước,
chúng ta nhận thấy Việt Nam là nước đang trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại
hoá có nền nông nghiệp phát triển. Trong đó chăn nuôi quy mô lớn ngày càng phát triển,
vì thế số lượng chất thải vô cùng lớn. Hiện nay người dân thường sử dụng phân chuồng
bón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá, gia súc… Điều đó rất có hại cho môi

trường và lãng phí bởi vì phân bò, phân heo khi cho ủ lên men trong điều kiện yếm khí
sẽ tạo ra một lượng khí mêtan (CH4) có thể dùng để đốt cháy như khí gas thiên nhiên.
Ngoài ra, thiết kế hệ thống biogas còn giúp giảm đáng kể tác hại ô nhiễm môi trường và
bài toán năng lượng của Việt Nam mà trong đó Biogas là một trong những giải pháp rất
thích hợp. Hơn nữa, khí mêtan cũng có thể được sử dụng để sản xuất nguồn năng lượng
quan trọng khác là năng lượng điện.
4


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Chương 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Lý thuyết về biogas
2.1.1. Sơ lược về biogas
Biogas, còn được gọi là khí sinh học, được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 là sản
phẩm thu được sau một loạt các quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong
điều kiện môi trường không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dưới tác dụng
của các vi sinh vật kỵ khí. Biogas chứa chủ yếu là mêtan (50 - 70%) và CO2 (25 50%) và các tạp chất khác như H2S, CO, NOx…Trong đó mêtan (CH4) được mệnh
3

danh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao. Một m CH4 khi đốt cháy toả ra một nhiệt
lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 lít cồn; hay 9,7 kW điện [9].
Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì biogas mới bắt đầu được chú ý, do tình
hình thiếu hụt năng lượng và xu hướng đi tìm nguồn năng lượng mới, trong đó sự phát
triển khí sinh học từ hầm ủ được đặc biệt chú ý. Tuy nhiên, đến những năm gần đây,
túi ủ khí làm bằng nylon mới thực sự phát triển và được áp dụng rộng rãi trên cả nước.
Ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình. Hệ
thống biogas đã xử lý rất tốt nguồn nước thải trong chăn nuôi, cung cấp nước tưới sạch

và phân bón tốt cho trồng trọt. Bên cạnh đó, người dân có thể tận dụng nguồn khí
mêtan làm khí đốt cho gia đình cũng như làm nguồn nhiên liệu cho các động cơ nhỏ
như: máy phát điện, mô tơ…góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông.
Biogas là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau gồm mêtan (CH4), cacbon dioxit
(CO2), hydro sulfit (H2S), nitơ (N2), và một lượng nhỏ các tạp khí khác. Hỗn hợp các
loại khí trên sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm
khí [2]
 Thành phần của biogas
Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas
CH4

50 - 70

% thể tích

CO2

20 - 50

% thể tích

Hơi nước

0,3

% thể tích

N2

0-5

% thể tích

O2

0-2

% thể tích

NH3

0-1

% thể tích

H2 S

50 - 5000

ppm

5


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Chất khác

<1

% thể tích

2.1.2. Các sản phẩm của hệ thống biogas
2.1.2.1. Khí đốt
Thành phần khí đốt của hệ thống biogas bao gồm 60 - 70% CH4; 25 - 40% CO2
là một nguồn nguyên liệu mới thay thế cho than, củi, dầu… không để lại muội than
hoặc tro bếp nên việc làm vệ sinh dụng cụ nấu nướng cũng dễ dàng hơn, nâng cao chất
lượng cuộc sống cho con người. Khí biogas cháy hoàn toàn và có hiệu suất cao hơn
trong các lò đốt dầu tạo nhiệt, bởi vì nhiên liệu dầu đốt lò cần phải phun dầu trước khi
đốt. Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong lúc
3

3

của khí mêtan là 35,9 MJ/m . Như vậy 1,1 m mêtan có thể thay thế 1 lít dầu HFO.
3

Tuy nhiên, trong thực tế do hiệu suất đốt lớn hơn trong lò đốt dầu nên chỉ cần 1 m
mêtan là đủ thay thế cho 1 lít dầu HFO [7].
2.1.2.2. Phân bón
Thành phần của cặn nước thải sau khi qua hệ thống biogas có các chất dinh

dưỡng thấp hơn được dùng làm phân bón hoặc làm thức ăn cho cá. Đặc biệt theo một
số nghiên cứu cho thấy số lượng ấu trùng và giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi, do
đó an toàn hơn khi dùng nước thải này để tưới cây.
2.1.3. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas
Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều
phản ứng, cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này được thực

hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để
phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí
và các chất khác.
Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm
trung gian nhờ sự hoạt động của nhiều chủng loại vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân
hủy protêin, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi,
methylamin, cùng các chất độc hại như tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi
như indole, scatole. Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy
được bởi vi khuẩn yếm khí như lignin.

6


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Hình 2.1. Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4
2.1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas
2.1.4.1. Điều kiện kỵ khí tuyệt đối
Sự lên men để phân hủy một hợp chất hữu cơ trong bình ủ đòi hỏi phải ở điều
kiện kỵ khí hoàn toàn, vì sự có mặt của oxy sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động
của nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn.
2.1.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng làm thay đổi quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi sinh vật
0

0

yếm khí rất nhạy cảm với nhiệt độ. Chúng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 31 C -36 C,

0

dưới 10 C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến áp lực gas sẽ yếu đi. Tuy nhiên,
nhiệt độ cho chúng hoạt động cũng có thể thấp hơn nhiệt độ tối ưu, trung bình vào
0

0

khoảng 20 C - 30 C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí
mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt độ thay đổi cho phép
0

hằng ngày là 1 C (UBKHKT Đồng Nai - 1989).
2.1.4.3. Ẩm độ
Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo
ra ít. Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %.
2.1.4.4. pH
pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí
mêtan. Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt
động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991).
2.1.4.5. Thời gian ủ
7


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra. Với nhiệt độ, độ pha
loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày

(UBKHKT Đồng Nai, 1989).
2.1.4.6. Hàm lượng chất rắn
Hàm lượng chiếm dưới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt. Hàm lượng chất rắn
thay đổi trong khoảng 7 - 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh gas tốt hay xấu. Ở Việt
Nam vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, nên hàm lượng chất rắn trong bình
giảm, vì thế việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại
(UBKHKT Đồng Nai,1989).
2.1.4.7. Thành phần dinh dưỡng
Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp
đầy đủ nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thành phần
chính của nguyên liệu là cacbon (ở dạng cacbonhydrate, tạo năng lượng) và nitơ (ở
dạng nitrate, protein, amoniac tham gia vào cấu trúc tế bào).
Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần
chú ý đến tỉ lệ C/N. Tỉ lệ thích hợp là từ 25/1 - 30/1 (UBKHKT Đồng Nai, 1989).

8


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí
Nhiệt độ
0

Tiến trình mesophylic 95 F
0

Tiến trình Thermophylic 130 F

pH

7-8

Độ kiềm

2500 mg/L minimum

Thời gian lưu trữ

10 - 30 ngày

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng

0,15 - 0,35 Ib VS/ft /d

Sản lượng biogas

3 - 8 ft /Ib VS

Lượng mêtan

70 %

3

3

2.1.4.8. Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men
Vi khuẩn sinh mêtan rất dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ.

Theo nghiên cứu của Nguyễn Việt Năng hàm lượng các chất sau có khả năng ức chế
quá trình lên men của vi sinh vật kỵ khí.
Bảng 2.3. Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí [2]
Tên hóa học
SO4

Hàm lượng

2-

5.000 ppm

NaCl

40.000 ppm

NO2

5 mg/100 ml

Cu

100 mg/l

Cr

200 mg/l

Ni

200 - 500 mg/l

CN

-

25 mg/l

Alkyl benzen sulfonate

20 - 40 ppm

NH3

1.500 - 3000 mg/l

Na

3.000 - 5.500 mg/l

K

2.500 - 4.500 mg/l

Ca

2.500 - 4.500 mg/l

Mg

1.000 - 1.500 mg/l

Ngoài các yếu tố trình bày ở trên lượng gas sinh ra còn phụ thuộc vào một số
yếu tố khác như chiều dài và chiều rộng túi ủ, loại phân…

9


NHÀ MÁY ĐIỆN BIOGAS

GVHD: Ts. LÊ MINH NHỰT

2.1.5. Ảnh hưởng của biogas đến môi trường
2.1.5.1. Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn
Các thiết bị khí sinh học gia đình thường được nối với nhà xí. Phân người và
động vật được đưa vào đây để xử lý nên hạn chế mùi hôi thối, ruồi nhặng không có
chỗ để phát triển nên hạn chế bớt những dịch bệnh truyền nhiễm như sốt xuất huyết,
dịch tả…
Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt lượng chất thải của gia súc. Nó làm giảm đáng
kể những mầm bệnh, lượng vi sinh vật có trong chất thải vật nuôi. Khi chất thải được
xử lý bằng biogas mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt
đáng kể (Ủy Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989).
Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas
(Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994. Trích dẫn Nguyễn Thị Hà Mỹ, 2002)
Chỉ tiêu

Trước khi xử lý

Sau khi xử lý

7,4

7,8 - 7,9

COD (mg/l)

32.000

5.800 - 6.600

BOD (mg/l)

10.600

3.400 - 3.900

pH

7

12 - 15,26 x 10

10

12,3 x 10 - 25,74 x 10

E.coli (MPN/ml)

15,76 x 10

Coliform (MPN/l)

18,97 x 10

Streptococcus (MPN/l)
Trứng ký sinh trùng (trứng/g)

6

4

3

5

2

54,5 x 10

0,31 - 2,7 x 10

2.750

105 - 175

2.1.5.2. Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố
Xử lý kỵ khí ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao
như rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các
nhà máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn,
không tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục

vụ chạy máy phát điện. Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục
được ô nhiễm do nước rác thấm vào đất.
2.1.5.3. Giảm phát thải khí nhà kính
Các chất thải hữu cơ trong điều kiện tự nhiên sẽ bị phân hủy một phần là kỵ khí
cho ra mêtan phát tán vào khí quyển. Khí mêtan là khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn
khí cacbonic. Một tấn khí mêtan tương đương 21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà

10


kính. Nếu các chất thải hữu cơ này phân hủy kỵ khí trong các hầm ủ thì mêtan sẽ được
thu lại làm nhiên liệu. Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic. Một tấn
mêtan sẽ chuyển hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic. Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà
kính giảm đi 7,6 lần. Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là
nguồn hấp thụ cacbonic cũng như chống xói mòn bảo vệ đất [7].
Lượng CO2 này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác
dụng của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật. Chất thải thu được từ
động vật chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas. Lượng nước thải sau khi
xử lý bằng hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộ
độc cho con người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cả
được thể hiện qua sơ đồ 2.2.

Hình 2.2. Sơ đồ chu chuyển CO2
2.1.6. Tính chất của khí biogas
2.1.6.1. Tính chất vật lý
3

Nhiệt trị

4 - 8 kWh/m

3

Khối lượng riêng

1,2 kg/m

Nhiệt độ bắt lửa

700 C

0

Thể tích tăng khi cháy

6 - 12 %

2.1.6.2. Tính chất hoá học của khí biogas
Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từng
chất có trong thành phần biogas.
 Mêtan(CH4)
Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1.
 Tính chất vật lý

9


Mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ
0

0

0

đông đặc - 182,5 C, nhiệt độ hoá lỏng - 161,6 C. Ở 25 C, áp suất 1 atm, mêtan
3

có khối lượng riêng 0,660 kg/m .
 Tính chất hoá học
Phương trình cháy: CH4 +O2 = CO2 + 2 H2O
0

Mêtan là chất dễ cháy; nhiệt độ bắt lửa 537 C; nhiệt độ khi cháy có thể đạt
0

3

đến 2148 C; tỉ lệ có thể bắt lửa 5 - 15 % thể tích. Đốt cháy hoàn toàn 1 m
mêtan sinh ra năng lượng khoảng (5500 - 6000) kcal.
 Khí cacbonic (CO2)

Khí cacbonic không phản ứng với khí O2 nên không tham gia vào quá trình
cháy của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO2 có trong biogas quá nhiều làm giảm thể tích
của CH4, làm ảnh hưởng đến công suất của động cơ.
 Khí nitơ (N2)
 Tính chất vật lý
Niơ là chất khí không màu, không mùi, không vị. Khối lượng riêng của nitơ là
3

0

1,146 kg/m ở 25 C, 1 atm. Khí nitơ tồn tại ở khắp nơi, chiếm 78,084 % theo thể tích
0

0

không khí. Nitơ đông đặc ở 63,34 K và hoá lỏng ở 77,4 K.
 Tính chất hoá học
Ở nhiệt độ bình thường, trong không khí, khí nitơ không phản ứng với các chất
0

khác. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao (khoảng 1600 C) nitơ phản ứng với O2 có trong không
khí tạo thành các NOx. Tuỳ thuộc vào lượng O2 tham gia phản ứng mà chất tạo thành
có thể là N2O, NO, NO2, N2O5…
 Khí amoniac (NH3)
Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil, NH3…
Amoniac tồn tại trong biogas ở thể khí.
 Tính chất vật lý
Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần; khối lượng
3

0

0

0

riêng 0,6381 kg/m ; nhiệt độ đông đặc - 77,73 C; nhiệt độ hoá lỏng - 33,34 C. Ở 0 C
88,9 g amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nước.
 Tính chất hoá học

Ở nhiệt độ cao amoniac kết hợp với oxy để tạo thành các hợp chất NOx. Ví dụ
0

phản ứng sau xảy ra ở 850 C và cần có xúc tác.
4 NH3 +5 O2 = 4 NO + 6 H2O
10


 Khí hydro sulfua (H2S)
 Tính chất vật lý
3

Là chất khí không màu, có mùi trứng thối. Khối lượng riêng 1,363 Kg/m , nhiệt
0

0

độ đông đặc - 82,3 C, nhiệt độ hoá lỏng - 60,28 C. H2S có thể hoà tan vào nước tạo
0

dung dịch acid H2S nhưng độ hoà tan thấp. Ở 40 C 0,25 g H2S hoà tan hoàn toàn vào
100 ml nước.
 Tính chất hoá học
H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Lượng H 2S trong không khí
dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối; trên 1000 ppm ảnh hưởng nghiêm
trọng đến đường hô hấp. H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại. Tuy
nhiên, ở nhiệt dộ cao H2S phản ứng với oxi, tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn,
có thể ăn mòn kim loại rất nhanh.
2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3
H2S + 2 O2 = H2SO4

Thành phần H2S trong biogas có khả năng làm mòn động cơ, do đó khi sử dụng
biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong người ta phải tiến hành khử, lọc và loại bỏ
H2S.
 Hơi nước
Trong không khí luôn luôn tồn tại một lượng hơi nước nên thành phần của
biogas cũng chứa một lượng hơi nước đáng kể có ảnh hưởng đến quá trình cháy làm
giảm lượng nhiệt sinh ra.
 Các thành phần khác
Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ,
không đáng kể và cũng không gây ảnh hưởng đến tính chất của biogas.
2.1.7. Tiềm năng và ứng dụng của biogas
2.1.7.1. Tiềm năng phát triển của biogas
Nước ta là một nước nông nghiệp phát triển có số lượng vật nuôi rất lớn với gần
5 triệu con bò, 3 triệu con trâu và 23 triệu con lợn nên lượng phân ủ yếm khí biogas rất
lớn.
Bảng 2.5. Năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc
Loại phân
Trâu, bò

Lượng khí biogas sinh ra
3

(m / tấn phân)
260 - 280

11

Thành phần mêtan
(% thể tích)

Heo

561

50 - 60

Bảng 2.6. Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc
Vật nuôi

Lượng phân (kg/ngày)

Trâu

14

Bò

14

Lợn

2,44

Lượng khí bigas có thể thu được trong một ngày từ trâu và bò:
3

(3.000.000 + 5.000.000) x 14 x 0,36 = 4.032.000 m gas/ ngày.
3

(1 kg phân trâu, bò ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,036 m gas.)
Lượng khí biogas có thể thu được trong 1 ngày từ heo:
3

23.000.000 x 2,44 x 0,045 = 2.525.400 m gas/ngày.
3

(1 kg phân heo ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,045 m gas)
3

Tổng lượng gas có thể lấy được: 4.032.000 + 2.525.400 = 6.557.400 m gas/ngày.
Như vậy nếu tận dụng tốt, nguồn biogas này có thể cho ta nguồn năng lượng
lớn, đảm bảo cho môi trường xanh, sạch.
2.1.7.2. Ứng dụng của biogas
 Trong nước
Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Nguồn biogas
nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu. Do
đó cũng hạn chế phần nào việc chặt phá rừng làm chất đốt.
Bùi Văn Ga và cộng tác viên, trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã nghiên
cứu thành công ứng dụng biogas làm nhiên liệu thay thế xăng cho xe gắn. Các nhà
khoa học ở Phân Viện Kỹ Thuật Công Binh (Bộ Quốc Phòng) phối hợp với trung tâm
Nhiệt - Thuỷ - Khí - Động học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện thành
công chương trình sử dụng khí sinh học chạy máy phát điện công suất nhỏ phục vụ
cho các hộ gia đình, trang trại chăn nuôi và làng nghề.
Hiện nay, một số địa phương như: Đồng Nai, Củ Chi, Hóc Môn… đã ứng dụng
thành công việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho các động cơ nhỏ, các máy công tác
thông thường như: máy bơm nước, máy phát điện… vào sản xuất cũng như trong bảo
quản các nông sản.
 Ngoài nước
Việc nghiên cứu và ứng dụng biogas đã xuất hiện từ lâu. Phát triển mạnh nhất

12


là ở các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch …
3

Ở Trung Quốc, tổng sản lượng biogas của cả nước là 2000 triệu m /năm. Biogas chủ
yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy động cơ nổ phát điện.
Cho đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng biogas.
Ở Ấn Độ, chương trình năng lượng và nước sạch nông thôn đã được triển khai từ
những năm 90 của thế kỷ trước. Hàng năm có khoảng 200000 hộ gia đình Ấn Độ
chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng biogas. Cho đến nay, Ấn Độ đã có
đến hơn 2000000 trạm biogas.
Ở Châu Âu, người ta đã chế tạo các loại động cơ chạy bằng biogas sản xuất chủ
yếu từ các nhà máy xử lý chất thải, các loại động cơ hai kỳ (n = 400 - 1250 vòng/phút),
công suất 42 HP, các loại động cơ tốc độ cao, đa xylanh của hãng Cantebury có thể
cho công suất lên đến 105 KWh ở Anh, Đức…Các giải pháp động cơ lưỡng nhiên liệu
(Biogas - Diesel) cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Đan Mạch, Đức, Thụy Điển
[5].
2.1.8. Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay
2.1.8.1. Dạng hầm vòm
Hầm ủ yếm khí dạng vòm có thể là hình vuông hoặc hình tròn được đặt trên hay
dưới mặt đất. Hầm ủ dạng này cho gas tương đối thấp, không thể bố trí tay quậy, khó
xúc rửa, tốn không gian nhưng giá đầu tư ít, không thể di dời khi cần thiết.

13


2.1.8.2. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi
Hầm ủ dạng này thường được xây bằng gạch, các ống vào và ra được xây thẳng

để chống nghẹt. Hầm vận hành liên tục.
Hầm có cấu tạo khoang gas nổi nên dễ dàng tẩy rửa. Áp suất sinh gas không đổi
và có thể xoay khoang gas để sấy.
2.1.8.3. Dạng hầm ủ túi dẻo
Hầm ủ dạng này có ưu điểm dễ di chuyển khi cần thiết, áp suất gas không đổi,
hoạt động liên tục, cho gas nhiều hơn các dạng hầm khác với cùng thể tích. Tuy nhiên,
do vật liệu chế tạo là plastic nên dễ xì, vỡ không thể vớt váng bề mặt súc rữa và bố trí
tay khuấy.
2.1.8.4. Hầm ủ dạng bê tông, composit
Hầm ủ dạng này được phát triển dựa trên hầm ủ dạng túi dẻo. Vật liệu chế tạo
hầm được thay thế bằng bê tông hoặc composit. Điều này làm tăng giá thành, tuy
nhiên các vật liệu này đã khắc phục được rất nhiều nhược điểm của hầm ủ túi dẻo [2].
Ngoài 4 dạng hầm ủ trên còn có nhiều kiểu hầm ủ khác. Tuy nhiên, lượng khí
sinh ra ở các dạng hầm này không cao và không phổ biến.
3. CÔNG NGHỆ VÀ NHÀ MÁY KHÍ SINH HỌC
3.1 Công nghệ:
- 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).
- Khí đốt thiên nhiên cũng có chất như KSH. Khí này được hình thành qua nhiều thời kỳ
địa chất nên có hàm lượng mê tan rất cao, thường trên 90%.
Lợi ích nhà máy khí sinh học: - Khí sinh học. -Phân sinh học. Lợi ích bổ sung: Điện &
14


nhiệt ( trong trường hợp lắp đặt phần phụ). Methane cho nhiên liệu xe ô tô (trong trường
hợp lắp đặt phần phụ). Tiết kiệm đầu tư ( cho các công ty mới thành lập). Môi trường
sinh thái( trong trường hợp tái chế các sản phẩm). Đặc tính khí sinh học tương tự như khí
thiên nhiên từ đồng nghĩa với biogas là khí metan, khí đầm lầy.Biogas caloric từ 6000
đến 9500ccal/m3. Biogas - là khí với 50-70% khí mê-tan (CH4) và hàm lượng 50-30%

khí carbon dioxide (CO2). Phân sinh học: Khí sinh học công nghệ cho phép sản xuất
phân bón sinh học nhanh có chứa các chất hoạt tính sinh học và vi lượng bằng cách tiêu
hóa kỵ khí. Ưu điểm chính của phân bón sinh học được so sánh với thông thường là nó
hình thành, sẵn có, chất dinh dưỡng cân bằng và mức độ cao của mùn chất hữu cơ. Chất
hữu cơ là loại vật liệu năng lượng mạnh mẽ cho các vi sinh vật đất, đó là lý do tại sao sau
khi bón phân sinh học nitơ các quá trình khác microbiologcal được tăng lên. Yếu tố đã
đề cập ở trên có tác dụng tích cực cho đất về thể chất và kết quả là sau khi ứng dụng,
năng suất cây trồng được cân bằng phân bón sinh học có thể tăng lên đến 30-50%
 Điện: Đốt cháy 1m3 khí sinh học trong cùng đơn vị năng lượng nhiệt có thể sản xuất
2,4 kWh điện và 2,8 kWh năng lượng nhiệt. Điện sinh học. Điện sinh học là việc sử
dụng bimomass để sản xuất điện năng.
 Có sáu hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới bao gồm:
1) đốt biomass trực tiếp,
2) đồng đốt cháy
3) khí hoá
4) tiêu hoá kỵ khí
5) nhiệt phân
6) hệ thống điện sinh học nhỏ, module.
 Nhiệt: Sử dụng để sấy nông sản, sử dụng máy phát điện hơi, sử dụng cho công nghệ.

Nhiệt tạo ra làm mát động cơ và khí thải trong điện đồng phát. Biogas đốt cháy để
sản xuất nhiệt, là lựa chọn năng lượng nhiệt có thể sử dụng cho các thiết bị bay hơi
tủ lạnh.Methane Để sử dụng biogas làm nhiên liệu xe hay cung cấp cho lưới điện khí
phải được nâng cấp (CO2 loại bỏ). Biomentane với sự trợ giúp của hệ thống xử lý
khí sinh học. Sau khi xử lý khí, sản xuất là tương tự như khí tự nhiên (90-95% của
CH4). Chỉ có một khác biệt là nguồn của nó. Methane cũng có thể được sản xuất từ
biomass thông qua một quy trình được gọi là tiêu hoá kỵ khí. Tiêu hoá kỵ khí liên
quan tới việc sử dụng vi khuẩn để phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy.
Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo nhiều cách. Phần lớn các cơ sở đốt
nó trong một nồi hơi, tạo hơi nước sản xuất điện hoặc sử dụng cho mục đích công

nghiệp. Methane cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong tế bào nhiên liệu. Tế
15


bào nhiên liệu hoạt động giống như pin song không cần tái nạp. Nó tạo điện chừng
nào có nhiên liệu.
Ngoài khí, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình gọi là
nhiệt phân. Nhiệt phân xảy ra khi biomass được nung nóng trong điều kiện thiếu oxy.
Sau đó, biomass biến thành một chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân. Có thể đốt dầu nhiệt
phân giống như xăng để sản xuất điện năng. Một hệ thống điện sinh học sử dụng nhiệt
phân hiện đang được thương mại hoá tại Mỹ. Sản xuất khí sinh học là cách tốt nhất để
bảo tồn phát thải khí mê-tan vào không khí và phòng chống sự ấm lên toàn cầu.ERU Giảm phát thải Đơn vị tương đương với một tấn CO 2 tương đương (CO2 được sử dụng
như một đơn vị giá trị để đánh giá khí nhà kính, ví dụ một mét khối khí mê-tan tương
đương với 21 tấn CO2). Trên thị trường quốc tế ERU trở thành một mặt hàng cho các cá
nhân, pháp nhân và quốc gia. Các nước tham gia Nghị định thư Kyoto có thể mua, bán
hoặc thực hiện các hoạt động khác liên quan đến các quyền phát thải khí nhà kính.
3.2 Hệ thống Biogas đồng phát:

 Sơ đồ nhà máy khí sinh học: Nhà máy sản xuất khí sinh học biogas và phân bón sinh
học từ chất thải sinh học của ngành nông nghiệp và lương thực sử dụng phương pháp
quá trình lên men oxy tự do (tiêu hóa kỵ khí).
 Nhà máy khí sinh học công nghiệp là một dự án xây dựng trong đó bao gồm trang
thiết bị chiếm 70-80%.
1) Phần chính lò phản ứng (bồn, bể chứa khí mê-tan, phản ứng sinh học) được làm
bằng bê tông cốt thép hoặc compositer ,hầu hết các chất có thể được trộn lẫn với
nhau. Sự khác biệt là chỉ trong các hệ thống chất tải.
2) Đối với chất rắn sử dụng bộ tải vít, băng tải trong trường hợp phân lưu trữ sử dụng
máy kéo.
16

3) Đối với chất lỏng dùng bơm theo đường ống vào bồn. Bồn được thiết kế modul với
đường kính từ 8-24m, chiều cao lên tới 9m. Trong trường hợp công suất nhà máy
tăng số bồn chứa được tăng lên theo.
 Quy trình:
1. Chất thải lỏng hoặc chất thải rắn ban đầu được đưa đến bồn chứa sơ cấp lưu trữ 2-3
ngày tại bồn sơ cấp chất thải được xử lý đồng nhất.
2. Tại lò phản ứng nhiệt độ được duy trì 30 - 410C và quá trình lên men được thực hiện
bởi vi sinh vật kỵ khí được bơm vào nồi nấu thủy phân lên men duy nhất một lần tại
các nhà máy khí sinh học.
3. Năng lượng điện cho nhà máy khí sinh học chiếm 5-10% sản lượng điện nhà máy
sản xuất .Sản phẩm chúng ta thu được là khí sinh học (biogas) và phân bón sinh học
( rắn và lỏng).Khí sinh học được chứa trong bồn chứa gas.
4. Trước khi cung cấp biogas để phát điện người ta loại bỏ sunfuahydro.Trong trường
hợp không phát điện người ta trang bị thêm hệ thống loại bỏ CO 2 cho nhà máy
biogas.
 Thiết bị nhà máy khí sinh học:
1. Bể phân hủy bao gồm những tấm thép được hàn liên kết và phủ men thủy tinh chất
lượng cao, được gia công bằng công nghệ thiêu kếtnhiệt độ cao. Lớp men phủ chịu
được hóa chất và chống ăn mòn, có tuổi thọ thời gian hoạt động dài. Hố ga bằng thép
không gỉ, được gia cố lỗ cho các thiết bị trộn, lỗ truy cập - tất cả mọi thứ thiết kế đặc
biệt cho ứng dụng khí sinh học.(xem hình ảnh).
2. Vít tải sinh khối. Chất thải rắn được vít tải đưa vào lò phản ứng, hệ thống định lượng
được trang bị cảm biến trọng lượng được tích hợp với trung tâm điều khiển của nhà
máy biogas, hệ thống thủy lực kiểm soát các cửa đóng xả.
3. Bộ khuấy trộn nghiêng tạo khí sinh học bề mặt. Động cơ điện phòng nổ của máy
khuấy để đảm bảo làm việc trong môi trường có nguy cơ cháy nổ. Máy khuấy được
lắp ráp vào thành của nồi nấu.
4.

Bộ khuấy trộn chìm trong lò phản ứng sinh học. Máy khuấy hoạt động được 4 rulo
hỗ trợ động cơ máy khuấy có thể nâng lên và hạ xuống nhẹ nhàng.

5.

Bồn lưu trữ gas: Cấu trúc hai lớp, bên ngoài bằng nhựa PVC với phụ gia đặc biệt
chống mưa nắng và tia cực tím. Lớp thứ hai trực tiếp tiếp xúc với khí sinh học được
làm bằng chất liệu đặc biệt PELD, chịu áp suất của khí sinh học. Không khí được
bơm giữa hai màng. Áp suất khí sinh học trong bồn 200-500Pa. Chế tạo bồn lưu trữ
bằng công nghệ hàn biến tần kỹ thuật số để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật so với hàn
bằng tay. Bồn lưu trữ gas có van áp suất, hệ thống cấp khí bao gồm quạt, nươc
17


ngưng hệ thống thoát nước, hệ thống khử lưu huỳnh...
6. Hệ thống nhiệt nhà máy khí sinh học. Nhiệt độ cố định và liên tục hỗ trợ bên trong
nồi nấu nhằm duy trì điều kiện sống vi khuẩn. Nhiệt độ bên trong nồi nấu 37°С.
Nhiệt độ nước đầu vào để phân hủy hệ thống sưởi ấm là 60°С. Nhiệt độ nước ra là
40°С, hệ thống sưởi ấm là một mạng lưới các ống dẫn được đặt bên trong các bức
tường nấuhay để bề mặt tường bên trong. Trong trường hợp nhà máy khí sinh học
được trang bị với máy phát điện đồng phátnước nóng để sưởi ấm nấu được cung cấp
từ hệ thống làm mát động cơ. Nồi hơi chạy bằng khí sinh học, khí đốt tự nhiên hay
hỗn hợp cũng có thể được sử dụng như là nguồn năng lượng nhiệt cho nhà máy khí
sinh học.
7. Hệ thống kiểm soát tự động hóa dựa trên trình tự điều khiển công nghiệp Siemens
DP2-CPU315 và ứng dụng của hệ thống phân phối thiết bị ngoại vi ET200S Simatic
với Touch OP277 điều hành của màn hình cảm ứng bảng điều khiểnTự động hoá
thực hiện như sau: - Kiểm soát mức độ thường xuyên của lực thủy tĩnh và cảm biến
điện khẩn cấp; - Kiểm soát chất tải vớisự giúp đỡ của các cảm biến trọng lượng, đo
lưu lượng, cảm biến cấp độ và rơle áp lực dư thừa - Quy định chất pha trộn với sự

giúp đỡ của bộ điều khiển;- Kiểm soát áp suất trong hệ thống sưởi với sự trợ giúp
của hệ thống van nạp; - Kiểm soát nhiệt độ bên trong bể phân hủy; - Kiểm soát chất
lượng khí gas phân tích hệ thống; - Kiểm soát khí áp lực với sự giúp đỡ của các bộ
cảm biến áp suất khí, bao gồm cấp cảm biến vòm, và van an toàn;- Lượng khí sản
xuất với sự giúp đỡ của đồng hồ đo lưu lượng khí.
8. Hệ thống tách nguyên liệu sinh khối chất lỏng và chất rắn.
9. Ngọn đuốc khí sinh học: - hệ thống sẽ đốt đuốc khi khí sinh học chứa đầy trong bồn
lưu. Hệ thống có kết cấu điện tử.

18


19