Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một dạng khí hỗn hợp được sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí của phân động vật và những hợp chất hữu cơ lên men dưới tác động của các vi sinh vật.
Hỗn hợp khí biogas [hay khí sinh học biogas] được sinh ra gồm: khí metan [CH4] chiếm hơn 60%, khí cacbonic [CO2] chiếm khoảng 30% và các khí khác như N2, H2, H2S,...
Trong đó khí metan [CH4] là chủ yếu và là khí tạo ra năng lượng khí đốt nhờ khả năng gây cháy. Lượng biogas sinh ra còn phụ thuộc vào quá trình phân huỷ sinh học, loại phân, tỷ lệ phối trộn với nước và nhiệt độ môi trường,...
Đặc tính của khí sinh học biogas:
- Khí biogas với trọng lượng riêng khoảng 0,95 Kg/m3 vàcó thể thay đổi do tỉ lệ khí CH4 có trong hỗn hợp.
- Biogas có tính dễ cháy nếu được hòa lẫn theo đúng tỷ lệ, thường là 1/9 – 1/10 so với không khí.
Phân và các chất hữu cơ dưới tác động của các vi sinh vật trong môi trường hiếm khí sẽ bị phân huỷ thành các chất hoà tan và chất khí. Qua nhiều quá trình phản ứng, phần lớn các chất khí được chuyển hoá thành metan và khí cacbonic. Một phần nhỏ các nguyên tố khác như nitơ [N], phốt pho [P],... cũng bị thất thoát qua quá trình phân huỷ từ hầm biogas. Sự phân huỷ kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn, với sự tham gia của nhiều chủng loại. Đó là sự phân hủy tinh bột, protein và lipiqn thành acid amin, glyxerol, acid béo, methylamine, cùng với các chất khác,…
Và cuối cùng là liên kết cao phân từ mà nó khó có thể phân hủy được bởi các vi sinh vật yếm khí như xenlulozơ, lignin.
Quá trình hình thành biogas có thể diễn ra theo 2 giai đoạn với 2 con đường khác nhau:
- Giai đoạn 1:
+ Acid hoá xenlulozơ: [C6H10O5]n + nH2O -> 3nCH3COOH
+ Tạo muối:
Các bazơ [như NH4OH] sẽ kết hợp với acid bazơ:
CH3COOH + NH4OH -> CH3COONH4 + H2O
- Giai đoạn 2:
+ Lên men metan nhờ sự thuỷ phân của của muối hữu cơ
CH3COONH4 + H2O -> CH4 + CO2 + NH4OH
- Giai đoạn 1:
+ Cũng như giai đoạn 1 của con đường thứ nhất, là sự Acid hoá xenlulozơ: [C6H10O5]n + nH2O -> 3nCH3COOH
+ Thuỷ phân acid tạo ra CO2 và H2:
CH3COOH + 2H2O -> 2CO2 + 4H2
- Giai đoạn 2:
Tổng hợp metan với một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
1. Khái quát về khí sinh học
Khí sinh học [KSH] đã được biết đến ở nước ta từ những năm 1960, trải qua trên 50 năm phát triển ở Việt Nam, khí sinh học ngày càng được phát triển rộng rãi từ quy mô sản xuất nhỏ, vài mét khối đã mở rộng sang quy mô sản xuất lớn vài nghìn đến vài chục nghìn mét khối, từ lĩnh vực chăn nuôi sang lĩnh vực công nghiệp, khu vực nông thôn sang khu vực thành thị.
Riêng trong lĩnh vực chăn nuôi gia súc quy mô nông hộ, khí sinh học đã phát triển đến hầu hết các tỉnh, thành phố trong cả nước. Hiện nay, đã có hàng chục nghìn công trình khí sinh học đang hoạt động với nhiều kiểu thiết bị khí sinh học khác nhau do nhiều tổ chức thiết kế và phổ biến.
Quá trình sản xuất khí sinh học là tiến hành gây lên men sinh học các chất hữu cơ như: các chất thải của nông nghiệp, phân gia súc, gia cầm và các chất thải công nghiệp phân hủy trong môi trường yếm khí để sinh ra khí mêtan [CH4], cacbon điôxít [CO2] và khí sulfua hydro [H2S].
2. Thực trạng phát triển ngành chăn nuôi và giải pháp bảo vệ môi trường trong chăn nuôi ở Sóc Trăng
Tại tỉnh Sóc Trăng hàng năm tổng đàn gia súc trên 300.000 con, trong đó đàn heo chiếm trên 250.00 con, hiện nay loại hình chăn nuôi trang trại đang hình thành và phát triển, toàn tỉnh có có trên 15 trang trại chăn nuôi heo thịt gia công cho công ty TNHH CP với quy mô trung bình từ 1.000 - 5.000 con/trang trại, các trang trại còn lại có quy mô từ vài trăm con heo trên 100 trang trại tập trung rải rác ở các huyện, số còn lại là chăn nuôi nhỏ lẻ quy mô nông hộ.
Một số trang trại có đầu tư công trình xử lý môi trường nhưng không hiệu quả và chưa khai thác sử dụng hết nguồn năng lượng khí sinh học. Hầu hết các trang trại chưa đầu tư công trình xử lý môi trường, toàn bộ lượng phân và nước thải phát sinh hàng ngày được thải trực tiếp vào các ao lưu chứa trong khuôn viên trang trại, sau đó lan truyền ra bên ngoài làm ô nhiễm các kênh, rạch và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe dân cư.
Với số lượng hầm biogas như trên chỉ giải quyết được một phần nhỏ lượng chất thải chăn nuôi phát sinh, phần chất thải chưa được xử lý thải trực tiếp vào môi trường gây ô nhiễm nguồn nước, không khí phát sinh dịch bệnh.
3. Lợi ích của việc ứng dụng công nghệ biogas
Khí sinh học sản xuất từ hầm biogas bao gồm 2/3 khí mêtan [CH4], 1/3 khí cacbonic [CO2] và năng lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m3. Một mét khối [1m3] hỗn hợp khí với mức 6.000 calo có thể tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hay 1,2 kWh điện năng, có thể sử dụng để chạy động cơ 2KVA trong 2 giờ, sử dụng cho bóng đèn thắp sáng trong 6 giờ, sử dụng cho tủ lạnh 1m3 khí biogas trong 1 giờ hoặc sử dụng nấu ăn cho gia đình 5 người trong 1 ngày. Trong tương lai công nghệ biogas sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính nhằm giải quyết chất đốt sinh hoạt cho vùng nông thôn, thay thế các loai nhiên liệu khác như củi, trấu, than,...ngoài ra còn có thể sử dụng khí sinh học cho các mục đích khác như: phát điện, lò sấy, đèn thắp sáng, hệ thống nước nóng, các tủ lạnh chạy bằng gas,…
Đối với loại hình chăn nuôi nông hộ, hiện có trên 500 công trình hầm ủ biogas với thể tích từ vài khối đến vài chục khối do người chăn nuôi trực tiếp đầu tư hoặc được hỗ trợ thông qua các chương trình dự án, các hầm ủ được thiết kế thi công với nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau như hầm bêtông, túi PE, vật liệu mới HDPE.
Việc ứng dụng công nghệ hầm ủ biogas sẽ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi đất, nước, không khí giảm thiểu các chất khí gây hiệu ứng nhà kính phát sinh từ quá trình sản xuất, chăn nuôi hạn chế dịch bệnh bảo vệ sức khỏe cộng.
4. Giải pháp về công nghệ để xây dựng hầm ủ biogas
Hiện, có rất nhiều loại hầm khí sinh học [biogas] được phổ biến rộng rãi trên thị trường, từ hầm sinh khí dạng vòm nắp cố định KT bằng bêtông, đến túi sinh khí bằng nilon, hầm Composite, hầm Biogas VACVINA cải tiến, hầm ủ biogas sử dụng vật liệu HDPE. Mỗi loại hầm ủ đều có những ưu và nhược điểm riêng, đối với các loại hầm ủ bê tông tuy tuổi thọ trung bình cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu lớn, khó thi công và chỉ xây dựng với thể tích nhỏ; các hầm biogas bằng nilon tuy có chi phí đầu tư ban đầu thấp nhưng tuổi thọ trung bình ngắn.
Hiện nay Trung tâmỨng dụngTiến bộ Khoa học và Công nghệ tỉnh Sóc Trăng làm chủ công nghệ lắp đặt hầm ủ biogas cải tiến sử dụng vật liệu HDPE, so với các loại hầm ủ biogas khác thì hầm ủ biogas cải tiến sử dụng vật liệu HDPE có nhiều ưu điểm hơn, có thể thi công với nhiều thể tích khác nhau từ vài khối đến vài nghìn khối, với chi phí đầu tư xây dựng ban đầu thấp và thể tích lớn, kỹ thuật lắp đặt đơn giản, thời gian lắp đặt nhanh, tuổi thọ công trình cao hơn và dễ khắc phục các sự cố và có thể thi công trên nhiều địa hình khác nhau mà các loại hầm ủ khác không thể thi công được là một giải pháp chủ yếu và hữu hiệu để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường không chỉ đối với ngành chăn nuôi, mà còn áp dụng cho nhiều ngành nghề khác như: chế biến sản phẩm nông, công nghiệp, thủy sản, thực phẩm, các cơ sở giết mổ tập trung,...cung cấp nguồn năng lượng thay thế, năng lượng sạch để phục vụ nhu cầu sản xuất, sinh hoạt rất hiệu quả.
Bảng phân tích, so sánh khả năng ứng dụng mô hình hầm ủ biogas cải tiến sử dụng bạt HDPE so với các loại hầm ủ khác
| Nội dung | ĐVT | So sánh | Ghi chú | ||
| Hầm HDPE | Hầm bêtông | Túi PE | |||
| Thể tích hầm/1 m2 diện tích xây dựng hầm | m3 | 5 - 6 | 2 - 3 | 1 - 1,2 | Chiều sâu hầm bê tông trung bình 3 m Chiều sâu hầm túi PE trung bình 1 m Chiều sâu hầm HDPE trung bình 6 m |
| Hiệu quả giảm thiểu BOD5, COD, SS, Ntổng, Ptổng,.. sau hầm ủ biogas | % | ≈ 60 | ≤ 50 | ≤ 50 | Thể tích hầm ủ và thời gian lưu tồn ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất thải, nước thải trong hầm ủ. hầm ủ biogas sử dụng bạt HDPE có thể tích lớn nên hiệu xuất xử lý nước thải sau hầm ủ cao hơn các loại hầm ủ khác. |
| Quy mô xây dựng thể tích trung bình | m3 | ≈5.000 | ≈100 | ≈20 | Thể tích lớn của hầm HDPE có thể đến hàng trăm ngàn m3 |
| Thời gian thi công công trình [không tính thời gian đào hầm] | tháng | ≈1/4 | > 1 | - | - Thời gian cho lắp bạt HDPE hầm 1.000 m3 - Thời gian xây dựng hầm bê tông 100 m3 |
| Chi phí đầu tư cho các loại hầm ủ [triệu đồng] | m3 | 0,2 | 1,2 - 1,5 | 0,25 | Giá thành nguyên vật liệu thấp, đầu tư xây dựng với thể tích lớn nên việc lắp đặt hầm ủ biogas sử dụng bạt HDPE có chi phí đầu tư thấp so với các loại hầm ủ khác |
| Tuổi thọ hầm chứa | năm | ≈15 | ≈10 | ≈2-3 | Xu thế ứng dụng hiện nay để hạn chế đầu tư mới, sửa chữa và bảo vệ tốt nguồn nước ngầm. |
STA