CƠ SỞ KHOA HỌC, THỰC TIỄN CỦA THIẾT BỊ BIOGAS VỊ NÔNG HOẠT ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ HOÀN LƯU

1- Hiện trạng nghiên cứu phát triển các mẫu BSK Biogas quy mô nhỏ và vừa trên thế giới và trong nước:

Trên một thế kỷ nay, các mẫu BSK Biogas được gắn cho nhiệm vụ duy nhất là sử dụng phân gia súc, chất thải nông nghiệp để sản xuất năng lượng tái tạo (Biogas). Vài ba chục năm lại đây, BSK Biogas được gắn thêm nhiệm vụ (thứ hai) xử lý môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kình, một trong những nguyên nhân gây Biến đổi khí hậu. Trong mươi năm trở lại đây, người ta lại muốn gắn thêm cho BSK Biogas thêm cho nó nhiệm vụ nữa (thứ ba) như là chìa khóa để nâng cao sinh kế cho người nông dân. Tuy nhiên, chức năng của thiết bị Biogas được gắn thêm mác/ tăng thêm nhiệm vụ nhưng nguyên lý công nghệ của các thiết bị Biogas quy mô nhỏ và vừa hầu như không thay đổi (!?). Một khi bản chất nguyên lý công nghệ của thiết bị BSK không thay đổi thì chất lượng sản phẩm khó được cải thiện. Đó là điều tất yếu.

Tài liệu: Sản xuất khí sinh học ở vùng khí hậu có mùa đông lạnh kéo dài, (Biogas production in climates with long cold winters) đến từ Đại học Wageningen, Hà Lan, của nhóm các tác giả gồm Urmila Balasubramaniyam, Llionel S. Zisengwe, Niccolo Meriggi, Eric Buysman (tháng 5 năm 2008), đề xuất các tiêu chí đánh giá các loại BSK có bảy điểm như sau:

1. Kết cấu hoàn chỉnh - chất lượng của kết cấu,

2. Độ bền - tuổi thọ và hoạt động lâu dài,

3. Dễ xây dựng - cấp độ của chuyên gia biết-như thế nào,

4. Sự mất nhiệt - thiết kế nên được tối ưu hóa để giữ nhiệt,

5. Sản xuất Gas - phải có khả năng đáp ứng nhu cầu quanh năm,

6. Vận hành và bảo trì - hoạt động nên dễ dàng và ít bảo trì,

7. Đầu tư chi phí - chi phí thấp phù hợp khả năng chi trả.

Bộ tiêu chí này của nhóm tác giả từ Đại học Wageningen, Hà Lan, nhằm/ hướng tới đánh giá thiết kế các mẫu BSK quy mô nhỏ và vừa có ưu điểm bền, dễ xây dựng và vận hành, cho năng suất gas cao nhất trong điều kiện lạnh kéo dài. Trong đó, họ chọn mẫu thiết kế Deenbandhu, kiểu BSK vòm cầu nắp cố định của Ấn Độ, được cho là tốt nhất (trang 23 - 29).

Tài liệu “Tiêu chuẩn thiết kế hầm biogas”, của Felix ter Heegde (FtH) PPRE Oldenburg University, April 26-28, 2011, của Tổ chức phát triển Hà Lan (SNV) giới thiệu 25 mẫu thiết bị/ hầm Biogas quy mô nhỏ và vừa điển hình, được hỗ trợ ứng dụng phổ biến trên thế giới, trong đó có cả mẫu BSK Deenbandhu của Ấn Độ.

Theo tài liệu Công nghệ khí sinh học quy mô hộ gia đình, (tài liệu dùng để tập huấn cho Kỹ thuật viên về khí sinh học), do Văn phòng Dự án khí sinh học Trung ương – BPD/ Cục Chăn nuôi – DLP, thuộc Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam ấn hành 2011. Hiện Dự án khí sinh học Trung ương đang phổ biến 8 loại thiết bị/ hầm Biogas gồm: (1). Loại NCĐ hình hộp: Thuộc loại này gồm 2 kiểu: Kiểu của Nguyễn Độ và kiểu của RDAC; (2). Loại NCĐ hình trụ: loại này có 2 kiểu: Kiểu của Đồng Nai và kiểu RDAC (cũ); (3). Loại thiết bị NCĐ hình cầu gồm có 4 kiểu: kiểu của Đại học Cần Thơ, kiểu của Viện năng lượng NL6, kiểu KT1 và KT2.

Theo Nguyễn Võ Châu Ngân, riêng tại đồng bằng sông Cửu Long đã có 7 loại thiết bị/ bể Biogas được phổ biến, gồm: Ct1 (1987), túi ủ PE, TG-PB (1992), KT2 (2003), EQ (2007), Compuzite (2008) và VACVINA cải tiến (2011).

Như vậy tại Việt Nam có trên 15 mẫu BSK Biogas được các dự án phổ biến, hỗ trợ áp dụng.

Tại hội thảo quốc tế về Biogas quy mô nhỏ và vừa tại Hà Nội (từ 26-28 tháng 11, năm 2013), các đoàn quốc tế đã tham luận/ chia sẻ có thêm 6 mẫu hầm Biogas quy mô nhỏ và vừa mới được nghiên cứu cải tiến, gồm: (1) Mẫu nắp trôi nổi bằng nhựa của Campuchia; (2) Mẫu nắp trôi nổi của Ấn Độ; (3) Mẫu FOV BIOGAS ( túi nhựa) của Thụy Điển; (4) Mẫu của Viện năng lượng Việt Nam giới thiệu 2 mẫu của Việt Nam và của FOV (bằng HDPE); (5) Mẫu nắp trôi nổi của Băngladet; (6) SNV và Viện năng lượng VN giới thiệu kiểu hầm hình ống chảy dài. Theo đó, các mẫu hầm mới được giới thiệu tại hội thảo Biogas quốc tế (Hà nội, 2013), về nguyên lý so với các mẫu của Felix ter Heegde (FtH) PPRE Oldenburg University, của Tổ chức phát triển Hà Lan (SNV) giới thiệu ngày 26-28, tháng 4 năm 2011, cơ bản chưa/ không có gì mới.

Như vậy, tổng cộng có gần 50 mẫu BSK Biogas quy mô nhỏ và vừa được giới thiệu, phổ cập trên thế giới và trong nước. Trừ các BSK nắp trôi nổi và dạng túi, tất cả các dạng/ mẫu BSK nói trên đều có đặc trưng (1) không hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu, (2) có cửa nạp đặt nghiêng và (3) cửa xả (hoặc đỉnh cửa xả) đặt cao trên 1/2 chiều cao bể phân huỷ.v.v…

Với thiết kế như trên, ngoài nhiệm vụ sản xuất gas, khi áp suất đạt Max, theo nguyên tắc bình thông nhau, BSK sẽ tự động đẩy phân bán hoai và phân tươi ra ngoài, cùng với nhiều hệ luỵ không mong muốn khác. (xem “Phân loại, đánh giá hầm Biogas, Nguyễn Hồng Sơn, 2012).

2- Sự giống và khác nhau giữa công nghệ UASB và Biogas Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu:

Nguyên tắc chung, để nâng cao năng suất khí gas (CH4), ngoài các yếu tố khác, các tài liệu đều đề cập đến việc nâng cao mật số Vi khuẩn lên men yếm khí trong bề phân hủy bằng các giá đỡ vi khuẩn, hoặc bằng cách nào đó, làm cho nguyên liệu mới nạp tiếp cận nhiều hơn với mật số vi khuẩn lên men yếm khí cao, khi đưa một lượng bùn non/ bã thải trở lại bể phân huỷ.

Công nghệ “Quy trình kỵ khí có tầng bùn dòng chạy ngược – UASB” và Biogas Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu (gọi tắt là Biogas Vị Nông) cơ bản giống nhau về nguyên tắc đều làm cho nguyên liệu mới nạp vào tiếp cận nhiều hơn với mật số vi khuẩn lên men yếm khí cao trong bể phân huỷ, nhưng theo phương pháp khác nhau. Công nghệ của gần 50 mẫu BSK quy mô nhỏ và vừa nói trên, đều không có cơ chế bổ sung vi khuẩn lên men yếm khí (bã bùn non).

Tuy nhiên, quy trình công nghệ UASB và Biogas Vị Nông hoàn toàn khác nhau về nguyên lý, cơ chế hoạt động, vận hành. Công nghệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process) gọi là: Quy trình kỵ khí có tầng bùn dòng chảy ngược, được nghiên cứu và phát triển bởi Tiến sĩ Gatze Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen, Hà Lan vào cuối những năm 1970. Lúc đầu công nghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của nhà máy sản xuất đường từ củ cải ở Hà Lan. Đến cuối thập niên 1980 mới được phát triển rộng rãi.

UASB là một trong những phương pháp xử lý nước thải (XLNT) quy mô lớn, có hàm lượng chất hữu cơ cao bằng biện pháp sinh học kỵ khí. UASB chỉ thích hợp cho việc xử lý các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao và thành phần vật chất rắn thấp, nhưng không triệt để. Do đó, khi nước thải có hàm lượng BOD cao, người ta thường đặt bể UASB trước bể hiếu khí Aerotank nhằm xử lý triệt để chất hữu cơ trong nước thải. Như vậy, công nghệ UASB thường phải đi kèm với bể xử lý hiếu khí Aerotank, rất đồ sộ, chi phí rất cao và tốn kém (Hình 1). Sự vận động của dòng vật chất trong bể USAB theo phương thức lên, xuống tĩnh tiến ngược qua “vùng đệm bùn non”, dưới áp lực của máy bơm nguyên liệu đầu vào. Về nguyên lý cấu tạo Bể UASB chia thành 3 phần chính: (a) phần bùn đặc ở dưới đáy hầm ủ, (b) một lớp thảm bùn ở giửa hầm và (c) dung dịch lỏng ở phía trên, theo sơ đồ hình 2:

Công nghệ Biogas Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu có cơ chế bổ sung mật số vi khuẩn yếm khí cao từ bùn bã thải vào buồng phân huỷ nhờ nguồn năng lượng nội sinh và chênh lệch cột áp ở cửa hoàn lưu, ngay đầu nạp nguyên liệu, rất đơn giản mà không cần dùng đến máy bơm. Toàn bộ vật chất trong bể phân huỷ là một khối động. Sự vận động của dòng vật chất trong bể Biogas Vị Nông theo phương thức 2 lên, 2 xuống, do năng lượng nội sinh, quản trị được thời gian lưu theo định hướng (mong muốn) và lấy bã thải rất dễ dàng khi cần thiêt (Hình 3).

Công nghệ Biogas Vị Nông được thiết kế nằm chìm dưới đất, thực hiện các nhiệm vụ: (1) Sử dụng được các phế phụ phẩm nông nghiệp, sinh khối và rác thải sinh hoạt hữu cơ để sản xuất chất đốt (Biogas) ngay tại hộ gia đình; (2) Nâng cao giá trị gia tăng của Chuỗi các sinh kế của người nông dân; (3) Giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường; (4) giá thành rẻ phù hợp túi tiền ng]ời dân nghèo; (5) tham gia xây dựng nông thôn mới, đạt tiêu chuẩn của Bộ tiêu chí đánh giá mẫu BSK Biogas tốt, do Trung tâm Vị Nông xây dựng và đề xuất (Xem tài liệu đính kèm). Đây là sự sáng tạo độc đáo, chưa có tiền lệ, khác biệt của Biogas Vị Nông, lần đầu áp dụng tại Việt Nam so với công nghệ UASB, và gần 50 loại BSK Biogas quy mô nhỏ và vừa khác cũng không thể có được (Hình 4).

3. Cơ sở khoa học và thực tiễn:

Theo báo cáo đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng mô hình Biogas kết hợp hồ sinh học thực vật”, của SVTH: Nguyễn Trần Ngọc Phương – MSSV: 106108020, GVHD: ThS Lâm Vĩnh Sơn, cho thấy: Trong thời gian từ khi nạp nguyên liệu/ cơ chất vào bể phân hủy cho đến ngày thứ 10, độ pH của môi trường giảm từ 7,3 xuống 5,2 – 5,5 (trang 63), các chỉ số COD và BOD5 đều tăng lên (COD tăng từ 22,23 – 36,00%; BOD5 tăng từ 22,23 – 35,99%). Sau đó, từ ngày thứ 15 trở đi, độ pH mới bắt đầu tăng và các chỉ số COD và BOD5 mới bắt đầu giàm dần. Theo đó, đến ngày thứ 60, các chỉ số COD, BOD5 cũng mới chi giảm được 73,77 – 73,78 %, cho nên buộc phải xây các hồ lọc bằng sinh học thực vật (rất tốn kém) để tiếp tục xử lý, trước khi xả nước thải ra môi trường.

Ứng với các giai đoạn lên men kỵ khí phân giải cơ chất trong buồng phân hủy, có thể chia ra các miền/ vùng phát triển các loại vi sinh vật với mật số khác nhau (Tài liệu đã dẫn trang 18) tương ứng với các vùng có mức độ phân hủy cơ chất khác nhau, như hình 5:

Hình/ Sơ đồ 5: Sự phát triển các nhóm VSV trong lên men Methane, ứng với các vùng có mức độ phân hủy cơ chất khác nhau.

Biểu đồ 5 cho thấy, trong buồng phân hủy của BSK, luôn tồn tại/ được chia làm ba tầng/ lớp khác nhau: (1) Vùng phát triển hỗn hợp vi sinh vật, ứng với Vùng nguyên liệu mới nạp, bắt đầu quá trình lên men kỵ khí ở tầng trên cùng (còn gọi là váng). (2) Vùng phát triển vi sinh vật thủy phân và tạo Axit. Đây là vùng bán hoai ở lớp trên tầng giữa, có mật số vi khuẩn nằm trong khoảng từ 10⁴ - 10⁶ VSV/ml; nơi quá trình lên men kỵ khí mạnh liệt, tạo ra các sản phẩm Axit và tạo H2S, indol, scatol..., mùi gây thối, khi này COD, BOD5 chưa giảm. Lớp dưới của tầng giữa, quá trình Axetat được xảy ra, COD, BOD5 bắt đầu giảm. (3) Vùng phát triển vi khuẩn tạo khí Mê tan (CH4), ứng với vùng mùn hóa ở tầng đáy BSK. Tại vùng này có mật số vi khuẩn kỵ khí cao nhất, lên tới 10⁶ VSV/ ml. Đây là cơ sở khoa học khi người ta lấy bùn non, cho hoàn lưu, bổ sung vi sinh vật kỵ khí vào cửa nạp nguyên liệu đầu vào, để tăng cường/ thúc đấy nhanh quá trình lên men kỵ khí; là cơ sở khoa học của Biogas Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu.

Công nghệ Biogas Vị Nông có thể vừa kết hợp hố xí tự hoại hợp vệ sinh (giảm chi phí cho nông dân), vừa tận dụng triệt để các phế phụ phẩm của chuỗi các sinh kế trước, làm nguyên liệu đầu vào cho chuỗi sản xuất sau, nhằm tự sản xuất chất đốt sạch; vừa giải quyết được vấn đề môi sinh, môi trường; vừa lấy được bã thải làm phân bón hoặc nuôi giun quế làm thức ăn giàu đạm cho chăn nuôi, giải quyết việc làm, tăng thu nhập và cải thiện chất lượng cuộc sống cho nông dân, góp phần xây dựng nông thôn mới giàu đẹp, được mô hình hoá theo sơ đồ sau: (Hình 6).

Sơ đồ chuỗi sinh kế trong Biogas

Công nghệ/ thiết bị Biogas đa năng, đa dụng Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu, được xây dựng tại Nghệ An, đã hoạt động, vận hành ba năm nay. Qua thực tiễn vận hành, Biogas Vị Nông đã chứng minh được tính ưu việt, có nhiều lợi ích về môi trường, kinh tế và xã hội, mà các loại BSK khác hiện nay không thể làm được những điều này. Sự khác biệt về công nghệ, với nhiều ưu điểm vượt trội Biogas Vị Nông nhất định sẽ góp phần mang lại nhiều lợi ích, cùng với nông dân vì một cuộc sống tốt đẹp hơn./.

                                                                                                                      Nguyễn Hồng Sơn

                                                                                                                   GĐ. Trung tâm Vị Nông