Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với những thách thức về môi trường và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, các giải pháp bền vững như công nghệ biogas đang dần khẳng định vị thế của mình. Bể biogas không chỉ là một hệ thống xử lý chất thải hiệu quả mà còn là nguồn cung cấp khí biogas – một dạng nguồn năng lượng nào thuộc năng lượng tái tạo sạch, giúp giảm thiểu ô nhiễm và mang lại lợi ích kinh tế cho các hộ gia đình chăn nuôi và trang trại. Để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và đảm bảo tính bền vững của hệ thống, việc hiểu rõ về Cấu Tạo Bể Biogas là vô cùng cần thiết. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích các thành phần cốt lõi của bể biogas, nguyên lý hoạt động, vật liệu chế tạo, cũng như những lưu ý quan trọng trong quá trình vận hành và bảo dưỡng.
Biogas là gì và lợi ích mang lại?
Biogas là hỗn hợp các khí được tạo ra từ quá trình phân hủy kỵ khí (không có oxy) của các vật chất hữu cơ như phân động vật, chất thải nông nghiệp, hay chất thải sinh hoạt. Thành phần chính của biogas là khí mêtan (CH4) và carbon dioxide (CO2), cùng một lượng nhỏ các khí khác. Khí mêtan là thành phần có khả năng cháy, tạo ra nhiệt lượng và có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống.
Lợi ích của công nghệ biogas vô cùng đa dạng:
- Bảo vệ môi trường: Giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí do chất thải hữu cơ gây ra. Hạn chế phát thải khí nhà kính (mêtan là một khí nhà kính mạnh hơn CO2 nhiều lần).
- Sản xuất năng lượng sạch: Cung cấp nhiên liệu cho việc đun nấu, thắp sáng, hoặc chạy máy phát điện, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tiết kiệm chi phí năng lượng.
- Tạo phân bón hữu cơ: Bã thải sau quá trình phân hủy trong bể biogas là một loại phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng, ít mùi hôi và an toàn cho cây trồng.
- Nâng cao sức khỏe cộng đồng: Cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường, giảm nguy cơ lây lan dịch bệnh từ chất thải.
Cấu tạo bể Biogas điển hình: Những thành phần cốt lõi
Một bể biogas, đặc biệt là bể biogas composite hoặc bể biogas bạt HDPE, thường được thiết kế để tạo ra môi trường yếm khí lý tưởng cho vi sinh vật hoạt động. Mặc dù có nhiều biến thể về kiểu dáng và vật liệu, nhưng về cơ bản, cấu tạo bể biogas bao gồm các bộ phận chính sau:
Phân loại theo vật liệu chế tạo
Trên thị trường hiện nay, các loại bể biogas phổ biến được phân loại chủ yếu dựa vào vật liệu cấu thành:
- Bể biogas composite: Được làm từ nhựa composite, một vật liệu tổng hợp có độ bền cao, chống ăn mòn hóa học và chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Ưu điểm của bể composite là độ bền vượt trội, khả năng chống thấm tuyệt đối và tuổi thọ lâu dài. Nhiều người tìm hiểu về giá bể biogas composite trước khi quyết định lắp đặt.
- Bể biogas bạt HDPE: Sử dụng màng chống thấm HDPE (High-Density Polyethylene) làm lớp lót chính. Bạt HDPE có đặc tính chống thấm hoàn hảo, độ bền cơ học tốt, kháng hóa chất, và giá thành cạnh tranh. Hệ thống này thường được áp dụng cho quy mô lớn hơn hoặc những nơi cần linh hoạt trong lắp đặt. Để thi công, cần có bản vẽ hầm biogas bạt hdpe chi tiết và kỹ thuật hàn bạt chuyên nghiệp.
Các bộ phận chính của một bể Biogas Composite
Dù là bể biogas composite hay bạt HDPE, các thành phần chính sẽ có chức năng tương tự, chỉ khác về vật liệu và phương pháp thi công. Đối với bể biogas composite, các bộ phận thường được sản xuất rời và lắp ghép tại chỗ để dễ vận chuyển:
Bể phân giải (Ngăn ủ và Ngăn chứa khí)
Đây là trái tim của hệ thống biogas, nơi diễn ra toàn bộ quá trình phân hủy kỵ khí và sản sinh khí biogas. Trong thực tế, ngăn ủ và ngăn chứa khí thường là một không gian thống nhất trong thiết kế hình cầu hoặc hình trứng của bể composite.
- Ngăn ủ: Là nơi chứa nguyên liệu đầu vào (phân, chất thải hữu cơ) và là môi trường sống của các vi sinh vật yếm khí. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn và cuối cùng tạo ra khí biogas. Thiết kế ngăn ủ cần đảm bảo độ kín tuyệt đối để duy trì điều kiện yếm khí và ngăn khí thoát ra ngoài.
- Ngăn chứa khí: Là phần không gian phía trên của bể phân giải, nơi khí biogas được tích trữ sau khi sinh ra từ quá trình phân hủy. Áp suất khí trong ngăn này sẽ đẩy khí đi qua hệ thống ống dẫn đến nơi sử dụng. Dung tích của bể phân giải rất đa dạng (4m³, 7m³, 9m³…) tùy thuộc vào quy mô chăn nuôi và nhu cầu sử dụng khí.
Cửa nạp nguyên liệu
Cửa nạp là điểm đầu vào của chất thải hữu cơ vào bể biogas.
- Chức năng: Đưa vật liệu ủ (thường là hỗn hợp phân và nước) vào ngăn ủ một cách dễ dàng và an toàn.
- Yêu cầu thiết kế: Cửa nạp phải đủ rộng để tiếp nhận nguyên liệu, nhưng cũng phải đảm bảo kín khí tuyệt đối sau khi nạp để không làm ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí bên trong. Đối với bể composite, cửa nạp thường được gắn chặt vào bể phân giải bằng vật liệu composite, với đường kính phù hợp với kích thước tổng thể của hầm.
Sơ đồ chi tiết cấu tạo bể biogas composite với các bộ phận chính
Cửa ra bã thải
Cửa ra là nơi bã thải (chất rắn và lỏng sau khi đã được phân hủy) được đẩy ra khỏi bể.
- Chức năng: Đưa các bã phân và nước thải đã phân hủy ra ngoài một cách thuận tiện. Bã thải này có thể được sử dụng làm phân bón hữu cơ chất lượng cao cho cây trồng.
- Yêu cầu thiết kế: Cửa ra cũng cần đủ rộng để bã thải dễ dàng thoát ra, tránh tắc nghẽn. Tương tự cửa nạp, cửa ra được gắn với bể phân giải bằng composite và phải đảm bảo độ kín để tránh rò rỉ khí hoặc chất thải.
Bể nạp và Bể điều áp
Hai bể này đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ thống.
- Chức năng: Duy trì áp lực ổn định bên trong bể biogas. Khi khí biogas sinh ra, áp suất trong bể phân giải tăng lên. Bể điều áp sẽ giúp cân bằng áp suất này, đảm bảo khí được dẫn đến thiết bị sử dụng một cách đều đặn và an toàn. Bể nạp cũng tham gia vào quá trình điều áp bằng cách duy trì mực nước ổn định.
- Thiết kế: Thường chiếm khoảng 1/4 dung tích bể phân giải, có độ dày khoảng 3-5mm và được ghép nối với bể phân giải. Ưu điểm của việc thiết kế các bộ phận rời và lắp ghép là giúp việc vận chuyển bể đến các vùng sâu, vùng xa trở nên dễ dàng hơn.
Bể nạp và bể điều áp trong hệ thống bể biogas composite
Nguyên lý hoạt động cơ bản của bể Biogas
Nguyên lý hoạt động của bể biogas dựa trên quá trình phân hủy kỵ khí của vật chất hữu cơ bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau.
- Giai đoạn thủy phân: Các vi khuẩn thủy phân chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp (protein, cacbohydrat, lipit) thành các chất đơn giản hơn như đường, axit amin, axit béo.
- Giai đoạn axit hóa: Các vi khuẩn tạo axit (axit sinh) tiếp tục chuyển hóa các chất đơn giản thành axit hữu cơ (axit axetic, axit propionic, axit butyric), rượu, CO2 và hydro.
- Giai đoạn tạo mêtan: Đây là giai đoạn quan trọng nhất, nơi các vi khuẩn tạo mêtan (methanogenic bacteria) chuyển hóa axit axetic và hỗn hợp CO2/hydro thành khí mêtan (CH4) và CO2.
Để quá trình này diễn ra hiệu quả, bể biogas cần được duy trì ở điều kiện yếm khí hoàn toàn, nhiệt độ ổn định (thường là 25-40°C) và độ pH phù hợp (6.5-7.5). Khí biogas sinh ra sẽ nổi lên và được tích trữ trong ngăn chứa khí, sau đó được dẫn qua hệ thống ống đến các thiết bị sử dụng.
Vật liệu chế tạo bể Biogas: Ưu và nhược điểm
Việc lựa chọn vật liệu chế tạo bể biogas ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, hiệu quả và chi phí đầu tư.
Vật liệu Composite
Composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau, tạo ra vật liệu mới có tính chất ưu việt hơn hẳn các vật liệu thành phần. Trong chế tạo bể biogas, composite thường là sự kết hợp giữa nhựa polyester hoặc epoxy với sợi thủy tinh.
- Ưu điểm:
- Độ bền cơ học cao, trọng lượng riêng bé: Giúp bể chịu được lực tác động tốt mà vẫn dễ dàng vận chuyển, lắp đặt.
- Chịu được môi trường khắc nghiệt: Chống chịu tốt với ẩm mặn, bức xạ mặt trời, hóa chất và axit có trong chất thải. Không bị ăn mòn bởi các vi sinh vật.
- Khả năng kết hợp linh hoạt: Có thể kết hợp với các vật liệu khác để tăng cường tính năng hoặc giảm giá thành.
- Dễ tạo dáng, độ bóng bề mặt cao, kín nước tuyệt đối: Đảm bảo môi trường yếm khí hoàn hảo và tính thẩm mỹ.
- Dễ thi công, sửa chữa: Thiết bị thi công đơn giản.
- Tuổi thọ cao: Có thể đạt trên 20 năm.
- Chi phí bảo dưỡng thấp.
- Nhược điểm:
- Giá thành còn cao: So với một số vật liệu khác, chi phí ban đầu có thể cao hơn.
- Độ bền va đập kém: So với kim loại, composite có thể dễ bị nứt vỡ hơn khi chịu va đập mạnh.
- Chất lượng vật liệu phụ thuộc vào tay nghề công nhân: Quá trình sản xuất và lắp đặt yêu cầu kỹ thuật cao để đảm bảo chất lượng.
- Chất thải khó xử lý: Các vật liệu composite khó tái chế khi hết tuổi thọ.
Vật liệu Bạt HDPE
Màng chống thấm HDPE, hay còn gọi là bạt nhựa HDPE, là một loại polymer tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong địa kỹ thuật môi trường, đặc biệt là trong các dự án xử lý chất thải, bãi chôn lấp và các hồ chứa. Trong ứng dụng biogas, bạt HDPE thường được dùng để lót hố hoặc làm túi chứa khí.
- Ưu điểm:
- Giá thành cạnh tranh: Thường thấp hơn so với bể composite, phù hợp với các dự án quy mô lớn hoặc ngân sách hạn chế.
- Dễ dàng lắp đặt và thi công: Có thể cuộn gọn, vận chuyển và trải ra tại công trường. Quá trình hàn các tấm bạt HDPE lại với nhau bằng máy hàn nhựa chuyên dụng diễn ra nhanh chóng.
- Độ bền hóa học cao: Kháng được nhiều loại hóa chất, axit và kiềm, phù hợp với môi trường chất thải trong bể biogas.
- Chống thấm tuyệt đối: Đảm bảo không rò rỉ chất thải ra môi trường và duy trì điều kiện yếm khí.
- Linh hoạt trong thiết kế: Có thể tạo hình theo địa hình, phù hợp với nhiều kích thước và hình dạng hố ủ khác nhau.
- Nhược điểm:
- Dễ bị hư hại bởi vật sắc nhọn: Cần cẩn thận trong quá trình thi công và vận hành để tránh rách.
- Tuổi thọ có thể thấp hơn composite nếu không được bảo vệ tốt: Cần lớp che phủ hoặc đặt trong hố được đào sẵn.
- Chất lượng thi công phụ thuộc vào kỹ thuật hàn: Yêu cầu máy hàn bạt HDPE và thợ có kinh nghiệm.
Vận hành và bảo dưỡng bể Biogas hiệu quả
Để bể biogas hoạt động ổn định và đạt hiệu suất cao, việc vận hành và bảo dưỡng đúng cách là yếu tố then chốt.
- Xả khí ban đầu: Sau khi nạp phân lần đầu, trong hầm còn lẫn các hỗn hợp khí không cháy được (O2, CO2, N2). Cần xả khóa tổng liên tục trong khoảng 3 ngày để các khí này thoát ra hết, sau đó đóng khóa lại. Trong quá trình xả, khí thoát ra có mùi hôi, nên dẫn ống lên cao để tránh ảnh hưởng đến con người.
- Nạp phân bổ sung: Nguyên liệu bổ sung cần được xử lý pha loãng với nước theo tỷ lệ 6 phần nước và 4 phần phân. Tránh nạp quá nhiều nước làm ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí.
- Bảo quản và kiểm tra: Sau khi sử dụng xong, nên đóng khóa tổng lại để khí nhanh chóng được tạo ra và tích trữ. Đặc biệt, khi đồng hồ báo lượng khí trong hầm còn khoảng 2kg, cần đóng khóa tổng lại để duy trì áp suất tối ưu.
- Xử lý vào mùa đông: Vào mùa đông, nhiệt độ thấp làm quá trình lên men chậm lại. Để cải thiện lượng khí gas, bà con nên đổ khoảng 10-30 lít nước ấm (nhiệt độ 37-40°C) vào cửa nạp phân.
- Dấu hiệu có gas: Dùng lửa châm vào bếp. Nếu lửa cháy đều và không bị tắt là hệ thống đã có gas ổn định. Trường hợp lửa cháy bập bùng, ngắt quãng, cần tiếp tục xả khí trong hầm.
- Các thiết bị hỗ trợ: Để tăng hiệu quả sử dụng, có thể trang bị thêm các thiết bị chuyên dụng như lọc khí để khử mùi hôi, nồi cơm chạy bằng gas, bình nước nóng trực tiếp, đồng hồ đo áp suất, bếp gas đơn/đôi, đèn thắp sáng, hoặc thậm chí máy phát điện.
Lưu ý vận hành và bảo dưỡng hệ thống bể biogas
Việc hiểu rõ cấu tạo bể biogas và tuân thủ các hướng dẫn vận hành, bảo dưỡng sẽ giúp tối đa hóa lợi ích từ hệ thống này, góp phần vào sự phát triển bền vững của nông nghiệp và bảo vệ môi trường sống. Nếu bạn đang cân nhắc lắp đặt hầm biogas, hãy tìm hiểu kỹ lưỡng về các loại hình và công nghệ phù hợp, ví dụ như giá hầm biogas composite quả nhỏ đường kính 1m9 hoặc các giải pháp bạt HDPE, để đưa ra lựa chọn tối ưu nhất.
Kết luận
Công nghệ biogas là một minh chứng rõ ràng cho việc phát triển bền vững, kết hợp hài hòa giữa lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường. Việc nắm vững cấu tạo bể biogas cùng với nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các vật liệu và các quy trình vận hành, bảo dưỡng sẽ giúp chúng ta khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống này. Từ việc xử lý hiệu quả chất thải chăn nuôi đến cung cấp nguồn năng lượng sạch, bể biogas đang ngày càng khẳng định vai trò không thể thiếu trong bức tranh địa kỹ thuật môi trường hiện đại. Hãy cùng chung tay thúc đẩy và áp dụng rộng rãi công nghệ biogas để xây dựng một tương lai xanh và bền vững hơn.
Tài liệu tham khảo
- Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. (2015). Hướng dẫn kỹ thuật xây dựng và vận hành hầm biogas.
- Nguyễn Thị Thu Hà. (2018). Nghiên cứu ứng dụng công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi ở Việt Nam. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ.
- United Nations Environment Programme (UNEP). (2019). Biogas Technology: A Pathway to Sustainable Development.