Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt động chăn nuôi tại việt nam

NGUYỄN THỊ MAI NGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG
LƯỢNG KHÍ SINH HỌC TỪ CÁC HOẠT ĐỘNG CHĂN
NUÔI

2007- 2009

NGUYỄN THỊ MAI NGA

Hà nội. 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
-----------------------------------

LUN VN THC S KHOA HC

Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng
khí sinh học tại việt nam
NGNH: KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 60.85.06

NGUN THÞ MAI NGA

Người hướng dn khoa hc: TS. Nguyễn thị ánh tuyết

H ni 11, 2009


LI CM N

Trước khi trình bày nội dung chính của đồ án tốt nghiệp này em xin
chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo, các anh chị trong phòng thí nghiệm
của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
đà tạo những điều kiện tốt nhất để chúng em học tập và làm tốt nghiệp tại
viện trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Đặng Xuân
Hiển đà trực tiếp định hướng và chỉ bảo em tận tình trong suốt quá trình
thực tập và làm đề tài tốt nghiệp.
Qua đồ án tốt nghiệp này em đà nắm vững được công nghệ màng RO,
một công nghệ đang được ứng dụng rộng rÃi trên thế giới và đầy tiềm năng
phát triển ở Việt Nam trong lĩnh vực khử mặn.
Hà Nội, ngày 18 tháng 06 năm 2008


KẾT LUẬN
Các kết quả thu được từ đề tài

* Đối với thí nghiệm cố định áp suất ở 46 bar và cho nồng độ đầu vào thay
đổi trong khoảng 0,33 % đến 3,5% nhận được các kết luận sau:

+ Nước đầu ra có độ muối đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt. Còn hiệu suất khử đạt
100% ở nồng độ đầu vào 0,33% và đạt 96,264% ở nồng độ muối đầu vào 3,5%
+ Mối quan hệ giữa nồng độ muối trong dòng vào và dòng thấm được biểu diễn
bằng một hàm bậc 2: Cp = (-0,0000703776 + 0,0925597.Cf)2 . Đồng thời mối quan
hệ giữa nồng độ muối trong dòng vào và hiệu suất khử được hồi quy biểu diễn ở
dạng phương trình bậc 2 có dạng H = 89,9372 – 0,163735.Cf2
+ Trong dải nồng độ muối đầu vào thay đổi nhỏ từ 0.33 đến 3.5% như trên thì
quan hệ giữa lưu lượng nước sản phẩm và nồng độ muối đầu vào là quan hệ tuyến
tính: Q = 115,456 – 18,3308.Cf
+ Màng FT30 được sử dụng để nghiên cứu có hệ số thu hồi lớn nhất 25% (Khi
nước đầu vào là nước cấp) và hệ số thu hồi nhỏ nhất là 10,71% (Khi nước đầu vào
là nước muối co nồng độ 3,5%).
* Trong thí nghiệm nước cố định nước đầu vào ở nồng độ 2% để khảo sát ảnh
hưởng của áp suất thu được các kết quả sau:
+ Áp suất làm việc tối ưu nằm trong khoảng 35 – 40 bar, và tìm được quan hệ
giữa lưu lượng nước sản phẩm và áp suất đặt vào là quan hệ tuyến tính: Q =
1,6302.P – 6,2794.
+ Khi chạy chế độ tuần hoàn 81% thì hiệu suất khử muối giảm theo thời gian và
được biểu thị là một đường tuyến tính: H = -0,0133.t+98,495
+ Hiệu quả khử muối của màng RO được sử dụng trong nghiên cứu này luôn ổn
định ở 98,5% và nước sau xử lý có độ muối thấp hơn trong TCVN 10 lần còn TDS
thấp hơn 4,5 lần
* Nhiệt độ của dịng sản phẩm cao hơn dịng vào trung bình khoảng 0,25 oC
và nhiệt độ của dòng thải cao hơn nhiệt độ của dịng vào trung bình 0,9 oC.
* pH của dịng thải và dịng vào hầu như khơng thay đơi, còn pH của dòng
thấm thấp hơn pH của dòng vào trung bình 1,3.
− Các kết quả thu được khi nghiên cứu khử muối đối với loại màng RO được
sử dụng trong mơ hình thí nghiệm trên pilot OIA/EV. Mặc dù đây là kết quả gắn
liền với một loại màng RO thế hệ cũ còn đối với các loại màng RO khác thì khả

năng loại bỏ muối hay hệ số thu hồi có thể khác đi nhưng các mối quan hệ phụ
thuộc thì vẫn khơng thay đổi. Do đó mà các kết quả này có thể sử dụng để tham
khảo khi nghiên cứu và tìm hiểu các loại màng RO khác tiết kiệm được thời gian
và kinh phí nghiên cứu.
− Đề tài cũng bước đầu tính tốn thiết kế hệ thống khử mặn có cơng suất
1m3/h bằng cơng nghệ thẩm thấu ngược RO dựa trên phần mềm ROSA
Cơng nghệ này có tiềm năng to lớn áp dụng để khử mặn nước biển cấp cho cư
dân ở các vùng duyên hải và hải đảo, cho cộng đồng dân cư của vùng nước nhiễm
mặn cũng như tiềm năng khử mặn để cấp nước cho một khu vực của thành phố
ven biển trong một tương lai đang cạn kiệt dần nguồn nước ngầm và nước mặt
đang bị ô nhiễm nghiêm trọng.
Đề xuất hướng phát triển đề tài:
- Tiếp tục tiến hành thí nghiệm với nước đầu vào là nước lợ hoặc nước biển
được lấy tại một nguồn trên thực tế.
- Khi tiến hành với nước đầu vào là nước muối được lấy từ thực tế thì cần
tiến hành thí nghệm xác định chỉ số SDI và tính tốn, điều chỉnh khả năng đóng
cặn trên bề mặt màng.


MỞ ĐẦU
Trên Trái đất, khoảng 97% nước trên trái đất là nước biển. Nước mà con
người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm
0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới sáu tỷ người
vào năm 2000 và sẽ đạt tám tỷ vào năm 2025 và có khoảng 3,5 tỷ người trong số
này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước.
Đối với Việt Nam chúng ta khơng thiếu nước đến mức trầm trọng nhưng
diện tích đất nước trải dài dọc theo 3260 km dọc theo bở biển, ngư nghiệp là
ngành phát triển theo hướng đánh bắt xa bờ phải lưu lâu ngày ngoài biển, ngành
vận tải biển đang trên đà phát triển mạnh mẽ, những chiến tàu chở hàng đi trên

biển rất dài ngày. Đặc biệt dân cư trên các đảo của Việt Nam vẫn chưa có đủ nước
sinh hoạt. Nguồn nước sinh hoạt cho cư dân trên đảo chủ yếu là nước mưa hoặc
nước được chở từ đất liền ra, tuy nhiên nước được chở từ đất liền ra với chi phí
tương đối cao và không phải là cách giải quyết tốt nhất. Trên thế giới, từ những
năm 50 người ta đã khử mặn nước biển bằng phương pháp nhiệt với các công nghệ
như (Bay hơi nhanh nhiều bậc; chưng đa bậc; bay hơi đơn bậc), cả cơng nghệ
màng điện thẩm tích cũng được ứng dụng trong lĩnh vực này. Một giải pháp mang
tính đột phá được đưa ra và ứng dụng thành công đầu tiên ở Mỹ vào những năm
60 của thế kỷ trước đó là lọc nước biển và nước lợ để sử dụng cho sinh hoạt bằng
công nghệ màng thẩm thấu ngược RO. Cho đến nay kỹ thuật này ngày càng được
hoàn thiện. Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa được nghiên cứu ứng dụng nhiều.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ màng thẩm thấu ngược RO
trong quá trình khử mặn phục vụ cấp nước cho sinh hoạt vùng duyên hải và
hải đảo” này đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ màng RO ứng dụng
trong khử mặn; tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của áp suất và nồng độ muối
dịng vào đến q trình màng; đồng thời bước đầu thiết kế công nghệ hệ thống khử
mặn bằng công nghệ màng RO dựa trên phần mềm ROSA.


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “ Đánh giá tiềm năng khai thác
nguồn năn lượng khí sinh học tại Việt Nam” là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các dữ liệu trong luận văn là hồn toàn trung thực, rõ ràng. Những nghiên cứu
của luận văn chưa được ai cơng bố với bất cứ hình thức nào. Tơi hồn tồn chịu
trách nhiệm về sự cam đoan này.
Tôi xin trân thành cảm ơn Trung tâm Đào tạo sau Đại học trường Đại học
Bách Khoa nơi tôi đã được học tập trong thời gian qua. Tại đây, tôi đã được các
thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu, những kinh
nghiệm học tập và nghiên cứu. Nhờ những kiến thức và kinh nghiệm tích lũy

được trong q trình học tập tơi đã hồn thành bản luận văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Nguyễn Thị Ánh
Tuyết đã định hướng và chỉ bảo em trong st q trình thực tập và làm tốt đề tài
tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bác, anh chị ở Viện Năng lượng Việt Nam
đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình cũng như tồn bộ bạn bè tơi
đã tận tình giúp đỡ, ủng hộ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân trọng cảm ơn!
Hà nội 10, tháng 11, năm 2009
Nguyễn Thị Mai Nga


MỤC LỤC
Danh mục các bảng……………………………………………………………

1

Danh mục những hình vẽ, biểu đồ…………………………………………….

3

Lời nói đầu…………………………………………………………………….

4

Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ khÝ sinh häc……………………………

8

1.1. Khái niệm khí sinh học (biogas)..................................................................

8

1.2. Cơ sở lý thuyết quá trình nên men tạo khí sinh học...

8

1.2.1. Các giai đoạn của quá trình lên men tạo KSH..

8

1.2.2. Giai đoạn thuỷ phân..

9

1.2.3. Giai đoạn sinh axit1..

10

1.2.4. Giai đoạn sinh mêtan

10

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo khí sinh học

11

1.3.1. Mức độ kỵ khí...

12

1.3.2. Nhit

12

1.3.3. Độ pH...

13

1.3.4. Thời gian lưu.............................................................................................

13

1.3.5. Hàm lượng chất khô.................................................................................

14

1.3.6. Tỷ lệ cácbon và nitơ của nguyên liệu.......................................................

15

1.3.7. Các độc tố.................................................................................................

16

1.4.Tổng quan tình hình phát triển công nghệ KSH ..

17

1.4.1. Sơ lược lịch sử phát triển..........................................................................

17

1.4.2. Tình hình phát triển công nghệ KSH trên thế giới....................................

18

1.4.3.Tình hình phát triển công nghệ KSH ë ViÖt Nam

19


CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG

21

LƯỢNG KHÍ SINH HỌC TỪ CÁC HOẠT ĐỘNG CHĂN NI TẠI
VIỆT NAM.........................................................................................................
2.1.Thực trạng và nguồn thải chăn nuôi Việt Nam.

21

2.2. Sản lượng khí sinh học(biogas) sinh ra từ chăn nuôi..

24

2.3.2.1. Sản lượng lý thuyết................................................................................

24

2.3.2.2. Sản lượng thực tế...

26

2.3. Thit b Khí sinh học...................................................................................

29

2.3.1.Nguyên lý hoạt động của các thiết bị khí sinh học………………………

29

2.3.2. Thiết bị KSH gồm các bộ phận chính như sau.........................................

29

2.3.3. Phân loại thiết bị KSH..............................................................................

30

2.3.3.1. Hầm khí sinh học có nắp nổi………………………………………….

31

2.3.3.2. Loại thiết bị nắp cố định………………………………………………

33

2.3.3.3. Thiết bị có bộ phận tách khí riêng…………………………………….

38

CHƯƠNG 3 : ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH CỦA KHÍ SINH HỌC TRÊN CÁC

47

KHÍA CẠNH NĂNG LƯỢNG, MƠI TRƯỜNG KINH TẾ XÃ HỘI..............
3.1. Lợi ích mơi trường do khí sinh học đem lại................................................

47

3.2.Lợi ích về năng lượng..................................................................................

50

3.3. Lợi ích kinh tế…………………………………………………………….

52

3.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu qủa dự án đầu tư…………………………….

52

3.2.2.1. Quy mơ hộ gia đình…………………………………………………...

56

3.2.2.2. Quy mơ trang trại……………………………………………………..

60

3.4. Lợi ích v nụng nghip................................................................................

68

3.4.1. Đặc tính của bà thải về mặt phân bón...

69

3.4.2.Hiệu quả của bà thải KSH.

70


3.4.2. Nu«i giun………………………………………………………………..

71

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC NHẰM
PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG KHÍ SINH HỌC………………..

73

4.1.Những khó khăn, tồn tại trong việc sử dụng KSH tại Việt Nam…………..

73

4.2. Đề xuất một số giải pháp nhằm phát triến sử dụng năng lượng KSH…….

74

4.2.1.Thay đổi cái nhìn của người dân về KSH……………………………….

75

4.2.2.Các chính sách của nhà nước……………………………………………

76

4.2.3. Giải pháp để hồn thiện cơng nghệ……………………………………..

77

4.2.4. Xây dựng mục tiêu, chiến lược, quy họach và kế hoạch phát triển……..

78

4.2.5.Xây dựng cơ sơ pháp lý hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo……………

79

4.2.6.Đầu tư mạnh mẽ cho nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế………….

79

4.2.7.Đào tạo nguồn nhân lực khoa học công nghệ về năng lượng tái tạo…….

80

KẾT LUẬN…………………………………………………………………....

81

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………......

82


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1:

Thời gian lưu của các loại nguyên liệu

13

Bảng 1.2:

Điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí

14

Bảng 1.3:

Tỷ lệ các bon và nitơ của 1 số chất

16

Bảng 1.4:

Điều kiện tối ưu ho quá trình lên men tạo KSH

16

Bảng 2.1:

Quy mô gia súc, gia cầm của cả nước

21

Bảng 2.2:

Năng suất lý thuyết KSH của 1 số hợp chất hữu cơ

25

Bảng 2.3:

Thành phần hóa học của một vài nguyên liệu lên men

26

thông thường và năng suất KSH lý thuyết của chúng
Bảng 2.4:

Đặc tính và sản lượng khí của một số nguyên liệu

27

thường gặp
Bảng 2.5:

Lượng chất thải và sản lượng KSH

28

Bảng 2.6:

Kích thước của cấc thiết bị cho mụ hỡnh 20 con ln

45

Bng 3.1:

Tiềm năng khí biogas khi sư dơng c«ng nghƯ cđa

48

Trung Qc
Bảng 3.2:

Quy đổi khí sinh học ra các dạng năng lượng khác

51

Bảng 3.3:

Lượng khí sinh học cung cấp cho người dân

51

Bảng 3.4:

Tính tốn lựa chọn kích cỡ hầm biogas

56

Bảng 3.5:

Tình hình tiêu thụ điện trong hộ gia đình

57

Bảng 3.6:

Thời gian thu hồi vốn của dự án

59

Bảng 3.7:

Lượng chất thải và sản lượng KSH ở mô hình 1000

60

con lợn

Bảng 3.8:

Tính tốn lựa chọn kích cỡ hầm biogas

60

Bảng 3.9:

Điện tiêu thụ của phụ tải sản xuất trong ngày

61

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

1


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
Bảng 3.10:

Tình hình tiêu thụ điên sinh hoạt

63

Bảng 3.11:

Tiền điện hàng tháng của trang trại

65

Bảng 3.12:

Chi phí điện hàng ngày theo biểu giá điện mới

66

Bảng 3.13:

Kết quả phân tích kinh tế - ti chớnh

68

Bng 3.14:

Hàm lượng tổng số (NPK) của các loại phân hữu cơ

70

Bng 4.1.

C hi v thỏch thc i với phát triển KSK ở Việt

74

Nam

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

2

Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
DANH MỤC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1:

Q trình lên men tạo KSH

Hình 1.2:

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí

13

Hình 1.3:

Quan hệ giữa hàm lượng chất khơ và hiệu suất sinh khí

15

Hình 2.1:

Cấu tạo hầm KSH

30

Hình 2.2:

Thiết bị nắp nổi khơng có gioăng nước kiểu Ấn Độ

32

Hình 2.3:

Thiết bị nắp nổi có gioăng nước kiểu của Viện Năng lượng

32

Hình 2.4:

Hầm biogas có nắp nổi có gioăng nước kiểu của Viện

32

9

năng lượng
Hình 2.5:

Cấu tạo hầm KSH có nắp cố định

34

Hình 2.6:

Hầm KSH có nắp cố định

35

Hình 2.7

Hầm khí sinh học làm bằng túi dẻo

37

Hình 2.8

Hầm khí sinh học bằng túi dẻo

37

Hình 2.9

Cấu tạo hầm biogas cải tiến của Trung Quốc

42

Hình 2.10

Kết cấu hệ thông biogas của Trung Quốc

44

Biểu đồ 3.1 Tiềm năng khí biogas nm 2006, 2007, 2008
Hỡnh 3.1

H thng sinh học ở trại Phú Sơn

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

49
72

3


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
LỜI NĨI ĐẦU
Năng lượng chiếm vai trị đặc biệt quan trọng trong sự phát triển kinh tế
thế giới. Điều này ngày càng được minh chứng rõ khí cuộc khủng hoảng năng
lượng do cấm vận dầu lửa vào năm 1973 đã kéo dài theo sự khủng hoảng của
nền kinh tế thế giới, buộc các nhà khoa học, hoạch định chính sách… Nhìn nhận
lại vấn đề và quan tâm thích đáng hơn đối với việc nghiên cứu, khai thác nguồn
năng lượng phi thương mại. Hơn nữa mọi người đều biết rằng các nguồn năng
lượng khơng tái tạo được có giới hạn vì lẽ đó vấn đề tiết kiệm năng lượng, sử
dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên có ý nghĩa to lớn đối với việc phát
triển nhất là trong chiến lược phát triển bền vững hiện nay.
Ngồi ra, vấn đề ơ nhiễm mơi trường tồn cầu “ hiệu ứng nhà kính” đang
đặt thế giới trước một thách thức không nhỏ. Vậy làm thế nào có thể có thể cân
bằng được trước sự phát triển kinh tế và vấn đề năng lượng cũng như môi
trường. Theo mục tiêu này các nguồn năng lượng tái tạo như: Năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, địa nhiệt hay cả sóng biển đã và
đang triển khai mạnh mẽ.
An ninh năng lượng không phải là mối lo ngại của riêng Việt Nam mà là
mối lo ngại chung của tất cả các nước trên thế giới, vì năng lượng là ngun liệu
đầu vào khơng thể thiếu đối với bất kỳ ngành sản xuất nào. Thiếu năng lượng
dẫn đến giá các nguồn năng lượng hóa thạch gia tăng, kéo theo giá cả sinh hoạt
leo thang đã gây nên rất nhiều khó khăn trong sinh hoạt của người dân, đặc biệt

của những nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, hay một số xung đột giữa
các nước có trữ lượng dầu lớn trên thế giới và các nước đang khan hiếm nguồn
nhiên liệu cho sản xuất công nghiệp trong nước.

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

4


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
Các nguồn năng lượng hiện nay đang được sử dụng tại Việt Nam chủ yếu
vẫn là những nguồn năng lượng hóa thạch. Nghiên cứu, đầu tư và khai thác các
nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh học cũng đã được Việt Nam quan
tâm và đầu tư nhằm tạo thêm nguồn năng lượng mới và cung cấp đủ “cầu” về
năng lượng trong nước. Đây là xu thế tất yếu không chỉ đối với Việt Nam mà đã
được các nước trên thế giới, đặc biệt các nước phát triển mạnh về công nghiệp
đi sâu vào khai thác.Vì vậy, Việt Nam đã đề ra một trong những mục tiêu lớn
trong Chương trình năng lượng sinh học đến 2010 là xây dựng và phát triển các
mơ hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng năng lượng sinh học quy mô 100.000
tấn E5 (ethanol 5%) và 50.000 tấn B5 (biodiesel 5%) mỗi năm, bảo đảm đáp ứng
0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Hiện nay Việt Nam có 5 dự án phát triển
năng lượng sinh học ở góc độ thương mại ở cả 3 khu vực Bắc-Trung-Nam (thông
tin từ Hội thảo quốc tế về năng lượng sinh học tổ chức tại TP Hồ Chí Minh ngày
14/10/2008.
Với lợi thế nước ta là nước nông nghiệp ( Hơn 70% dân số sống ở vùng
nông thôn), đời sống của người dân ở đây phụ thuộc vào nghề trồng trọt và chăn
nuôi. Nguồn phát thải phát sinh từ trồng trọt và chăn ni chính là nguồn
ngun liệu để sản sinh ra khí sinh học (biogas). Việc khai thác và sử dụng công
nghệ Biogas - một nguồn năng lượng sạch, đã đóng góp phần quan trọng đảm

bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Đặc biệt, đối với vùng nông thôn,
miền núi của chúng ta, việc nghiên cứu phát triển công nghệ Biogas là việc làm
thiết thực góp phần cải thiện mơi trường sống, thay đổi tập tục sinh hoạt và cải
thiện đời sống của người nông dân, góp phần giải quyết triệt để tình trạng ơ
nhiễm môi trường ở nông thôn, hạn chế dịch bệnh và bảo vệ cho nguồn nước
trong sạch. Năng lượng Biogas còn được sử dụng phát điện ở quy mơ gia đình,

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

5


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
bảo đảm cung cấp một phần điện năng, góp phần đáng kể cho sự phát triển ổn
định, bền vững của hệ thống điện ở nước ta.
Biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra khi chất thải động vật
và các chất hữu cơ (phụ phẩm nông nghiệp) bị lên men trong điều kiện kỵ khí. Vi
sinh vật phân huỷ các chất tổng hợp và khí được sinh ra. Biogas là một hỗn hợp
bao gồm Metan (CH4), Các bon dioxit (CO2), Nitơ (N2) và Hydro Sunphat (H2s
).Thành phần chủ yếu là Metan chiếm 60-70% và Cacbon dioxit 30-40%, các khí
này có thể đốt cháy được.Chất khí thốt ra bao gồm 2/3 khí metan, 1/3 khí CO2
và năng lượng khoảng 4500-6000 calo/m3. , 1 m3 khí với mức 6000 calo có thể
tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thơ, 1,4 kg than hoa hay 2,2
kWh điện năng. Có thể hy vọng Biogas sẽ là nguồn năng lượng chính trong
tương lai nhằm giải quyết chất đốt sinh hoạt, bảo vệ môi trường và giải quyết
vấn đề ô nhiễm môi trường bao gồm việc nâng cao sức khoẻ cho cộng đồng dân
cư và phục vụ trực tiếp cho sản xuất nơng nghiệp, ngồi ra cịn có thể sử dụng
cho các mục đích khác như: Lị sấy, đèn thắp sáng, máy sấy chuồng gia súc,
dùng cho hệ thống đun nước nóng, các tủ lạnh chạy bằng gas, chạy máy phát

điện… .Với mong muốn tìm hiểu, đánh giá và nghiên cứu về khả năng phát triển
Biogas rộng rãi hơn nữa ở Việt Nam, tác giả đã tiếp cận và tìm hiểu về vấn đề
này trong quá trình làm luận văn ““Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng
lượng khí sinh học từ các hoạt động chăn nuôi tại Việt Nam”
Nội dung của luận văn:
Chương 1: Tổng quan về khí sinh học.
Chương 2: Tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
động chăn nuôi tại Việt Nam

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

6


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
Chương 3: Đánh giá lợi ích của khí sinh học trên các khía cạnh năng lượng,
mơi trường, kinh tế xã hội
Chương 4:Đề xuất một số giải pháp khắc phục nhằm phát triển sử dụng năng
lượng khí sinh học.

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

7


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ SINH HỌC
1.1.Khái niêm khí sinh hc (biogas)

Khí sinh học (KSH) là một hỗn hợp khí được sinh ra trong quá trình phân
huỷ kỵ khí của các hợp chất hữu cơ như: Phân động vật, xác động vật, thực vật và
các chất khác... Thành phần chủ yếu của khí sinh học là mêtan (CH4), cácbôníc
(CO2) và một số khí khác. Khí mêtan chiếm từ 50 - 70% trong hỗn hợp khí, khí
mêtan là khí cháy nên KSH cú th được sử dụng như là nhiên liệu.
Quá trình chuyển hoá của các hợp chất hữu cơ là quá trình phân huỷ dưới
tác động của các loài vi sinh vật ( VSV), chủ yếu là các loài vi khuẩn mà mắt
thường không thể nhìn thấy. Quá trình phân huỷ kỵ khí (hay yếm khí) là quá
trình phân huỷ xảy ra trong môi trường không có ôxy. Trong tự nhiên quá trình
này thường diễn ra ở đáy các hồ ao tù đọng hay đầm lầy, KSH sinh ra trong quá
trình này được người ta quen gọi là khí bùn ao hoặc khí đầm lầy. Quá trình này
cũng diễn ra ở lớp đáy và lớp giữa của các bÃi chôn lấp rác thải hợp vệ sinh, các
mỏ than ... ở trường hợp này được hình thành qua nhiều biến động của thời kỳ địa
chất nên hàm lượng mêtan rất cao (>90%).
KSH nhân tạo được tạo ra trong các thiết bị như hầm ủ, được xây dựng ở
các quy trình khác nhau được gọi tắt là thiết bị KSH.
1.2. C s lý thuyết quá trình lên men tạo KSH
1.2.1. Các giai on ca quỏ trỡnh lờn men to KSH
Quá trình phân huỷ tạo khí mêtan là một quá trình phức tạp gồm 3 giai
đoạn chính với sự tham gia của nhiều loài VSV khác nhau (hỡnh 1.1 ) sản phẩm
cuối cùng của quá trình là một hỗn hợp khí gọi là khí sinh học mà thành phần
chủ yếu là khí CH4.
Phương trình tổng quát của quá trình lên men được biểu diÔn nh­ sau:

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

8


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt

đông chăn nuôi tại Việt Nam

1.2.2. Giai đoạn thuỷ phân
ở giai đoạn này, các vi khuẩn (VK) lên men và thuỷ phân tiết ra một loại
men (gọi là men hydrolaza) phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp, không tan thành
các chất hữu cơ đơn giản và tan được. Ví dụ: Các chất cacbohydrat (chủ yếu là
xenluloza và tinh bột), chất béo, protein bị thuỷ phân biến thành các chất như
đường đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin dƠ tan trong n­íc. Nh­ vËy c¸c

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

9


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
chÊt cao phân tử đà chuyển hoá thành các chất đơn phân tử, sau đó lại được lên
men thành những chất trung gian mµ chđ u lµ axetat, propionat vµ butyrat.
1.2.3. Giai đoạn sinh axit
Với sự có mặt của các loài VK sinh axit, các axit béo bậc cao và axit amin
thơm được sinh ra ở giai đoạn đầu bị phân huỷ thành các axit hữu cơ có phân tử
lượng nhỏ hơn như các axit axetic, axit propionic, axit butyric... các aldehyt, rượu
và một số loại khí như nitơ, hydro, cácbonic, amoniac...
Cả giai đoạn thuỷ phân và giai đoạn sinh axit nhu cầu oxy sinh học (BOD) bằng
không, ở giai đoạn này do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường giảm mạnh.
1.2.4. Giai đoạn sinh mêtan
Đây là giai đoạn quan trọng của toàn bộ quá trình, dưới tác dụng của các vi
khuẩn sinh mêtan các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác như axit axetic,
axit fomic, hydrocid cácbon ... biến thành khí mêtan, khí cácbonic, oxy, nitơ, khí
sunfua hydro...

Sự tạo thành khí mêtan có thể theo hai con đường như sau: Nhóm metyl
của axit axetic phân huỷ trực tiếp thành mêtan, nhóm cacboxyl của axit axetic
trước tiên chuyển hoá thành đioxit cacbon sau đó thì biến đổi thành mêtan
O
CH3 H
CH4

2

CH3 COOH
CO2 4H

CH4 + H2O
2

Hoặc trong điều kiện kỵ khí đioxit cacbon, mêthanol hoặc axetat sẽ chuyển hoá
thành CH3 và XH sau đó biến thành mêtan, phương trình biểu diễn như sau:

Hc viờn: Nguyn Th Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

10


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam

Ba nhóm VK đầu thuộc chủng VK không sinh mêtan, chúng có tốc độ sinh
trưởng tương đối nhanh, nhóm VK cuối cùng thuộc chủng VK sinh mêtan, trái lại
có tốc độ sinh trưởng tương đối chậm (thời gian nhân đôi thường kÐo dµi tõ 4 - 6
ngµy).

* Mối quan hệ giữa cỏc quỏ trỡnh lờn men
Trong thực tế 3 giai đoạn trên xảy ra song song và đồng bộ với nhau. Sản
phẩm sinh ra ở giai đoạn này được sử dụng làm cơ chất cho giai đoạn sau. Nếu vì
lý do nào đó mà các giai đoạn không ăn khớp với nhau sẽ phá vỡ cân bằng động
của quá trình và ảnh hưởng rất lớn đến năng suất các sản phẩm cuối cùng của quá
trình. Nh trong trường hợp axit sinh ra quá nhiều ở pha đầu, mà các vi khuẩn
sinh mêtan không tiêu thụ kịp, dẫn đến lượng axit của môi trường tăng, độ pH
giảm mạnh, ức chế quá trình hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan và nếu quá nhiều
sẽ làm cho quá trình phân huỷ ngừng hẳn.
1.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng của quá trình lên men tạo KSH
Quá trình phân huỷ tạo KSH chịu ảnh hưởng của nhiỊu u tè. Phần này
chỉ đề cập tới nh÷ng u tố quan trọng nhất và cần thiết trong xây dựng, vËn

Học viên: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

11


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đơng chăn ni tại Việt Nam
hµnh thiết bị, đảm bảo cho thiết bị vận hành ổn định và sản sinh ra lượng KSH
như mong muốn.
1.3.1. Mức độ kỵ khí
Sự có mặt của oxy hoà tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi
cho quá trình phân huỷ kỵ khí.Quá trình lên men tạo khÝ sinh häc cã sù tham gia
cđa nhiỊu vi khn, trong đó các vi khuẩn sinh mêtan là những VK quan trọng
nhất, chúng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Sự có mặt của oxy sẽ kìm hÃm
hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện kỵ khí tuyệt đối của
môi trường lên men.
1.3.2. Nhiệt độ

Hoạt động của VK sinh mêtan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ [1,tr15].
Trong điều kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 350C. Sản
lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm, dưới 100C quá trình sinh
mêtan hầu như ngừng hẳn.
Các VK sinh mêtan không chịu được sự thay đổi nhiệt độ quá nhiều trong
ngày. Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí. Vì vậy vào mùa đông cần phải giữa
ấm cho thiết bị, thậm chí đối với những vùng lạnh cần phải đảm bảo cách nhiệt
tốt cho quá trình lên men. Đôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải
gia nhiệt cho dịch lên men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men.

Hc viờn: Nguyn Th Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

12


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam

% Sản lượng

100

khí

90
80
70
60
50
40

30

y=0,0002x4 - 0,0113x3 + 0,315x2 - 3,1167x + 54

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Nhiệt độ (0C)
Hình 1.2: ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí [1]

1.3.3. Độ pH
Độ pH tối ưu với hoạt động của VK là 6,8 - 7,5 tương ứng với môi trường
hơi kiềm. Tuy nhiên VK sinh mêtan vẫn có thể hoạt động được trong giới hạn độ
pH từ 6,5 - 8,5.
1.3.4. Thêi gian l­u
Thêi gian l­u lµ thêi gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân huỷ. Đây là
khoảng thời gian dịch lên men phân huỷ hoàn toàn và tạo ra khí sinh học.
Đối với phân động vật thời gian phân huỷ có thể kéo dài tới hàng tháng.
Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm,
Bảng 1.1. Thời gian lưu của các loại nguyên liệu (ở 270C)[1]
Loại phân

Trâu, bò

Lợn

Gia cầm

Người

Thời gian lưu (ngày)

50

40

30

60

Đối với thiết bị KSH hoạt động liên tục, thời gian lưu càng lớn thì khí thu
được từ một lượng nguyên liệu nhất định càng nhiều. Song như vậy thiết bị phải

Hc viờn: Nguyn Th Mai Nga CHKTMT 2007 - 2009

13


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đông chăn nuôi tại Việt Nam
cã thể tích phân huỷ rất lớn và vốn đầu tư sẽ nhiều. Vì thế người ta phải lựa chọn
thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất.
Thời gian lưu được chọn còn dựa trên đặc điểm thời tiết của khu vực và loại
nguyên liệu nạp của địa phương. ở những vùng có nhiệt độ trung bình cao có thể
chọn thời gian lưu ngắn hơn và ngược lại.
1.3.5. Hàm lượng chất khô
Hàm lượng chất khô là tỷ lệ giữa khối lượng chất khô và tổng khối lượng
của nguyên liệu, hệ số này thường được biểu thị là phần trăm.
Quá trình phân huỷ sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có
hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 - 9%. Đối với bèo tây hàm lượng này là
4 - 5%, còn rơm rạ là 5 - 8%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô
cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị KSH cần phải pha thêm nước. Tỷ lệ
pha loÃng thích hợp là 2 - 4 lít nước cho 1 kg phân tươi.
Bng 1.2 Đặc tính của ngun liệu thường gặp [1,97]
Nguyªn liƯu
BÌo tây
Rong cá sấu
Thân cây ngô
Rơm lúa mỳ
Rơm lúa

Phân bắc
Phân lợn
Phân gia cầm
Phân ngựa
Phân trâu, bò

Thành phần (gram chất khô)
Cacbohydrat
Protêin
0,6073
0,1167
0,5963
0,0972
0,6263
0,0633
0,6396
0,0298
0,6026
0,0316
0,4157
0,1753
0,4204
0,1148
0,4703
0,0882
0,4536
0,0946
0,2704
0,1046

Hc viờn: Nguyễn Thị Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

Lipit
0,0386
0,0271
0,0463
0,0234
0,0321
0,0814
0,0603
0,0455
0,0283
0,0528

14


Đánh giá tiềm năng khai thác nguồn năng lượng khí sinh học từ các hoạt
đơng chăn ni tại Việt Nam

140

120

100

80

60
7

8

9

10

11

H×nh 1.3: Quan hệ giữa hàm lượng chất khô và hiệu suất sinh khí [1,98]
1.3.6. Tỷ lệ cácbon và nitơ của nguyên liệu (C/N)
Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học trong đó chủ
yếu là cacbon (C), hydrô (H), nitơ (N), phôtpho (P) và lưu huỳnh (S).
Tỷ lệ giữa trọng lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên
liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. Vi khuẩn kỵ khí tiêu
thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng
30/1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ
lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amôniắc là một
độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao.
Nói chung phân trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp. Phân người và gia
cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu
càng già thì tỷ lệ này càng cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp đối với các loại
nguyên liệu này ta nên dùng hỗn hợp nhiều nguyên liệu.

Hc viờn: Nguyn Th Mai Nga – CHKTMT 2007 - 2009

15