TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU
Tình hình chăn nuôi gia súc, gia cầm và phế thải của ngành chăn nuôi áp lực cho môi trường
2.1.1 Tình hình phát triển ngành chăn nuôi
2.1.1.1 Tình hình phát triển chăn nuôi gia súc, gia cầm trên thế giới
Lương thực, thực phẩm và vệ sinh an toàn thực phẩm là những yếu tố thiết yếu cho sự sống của nhân loại Hiện nay, nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm và lương thực, đảm bảo sức khỏe và sự sống cho cư dân toàn cầu.
Ngành chăn nuôi đóng vai trò quan trọng trong kinh tế, xã hội và chính trị toàn cầu, chiếm 70% đất nông nghiệp và 30% diện tích không có băng giá trên hành tinh Ngoài ra, chăn nuôi còn góp phần vào 40% GDP của nông nghiệp toàn cầu.
Ngành chăn nuôi đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc cung cấp thực phẩm cơ bản như thịt, trứng và sữa cho dân số toàn cầu, mà còn góp phần vào việc bảo tồn đa dạng nguồn gen và sinh học trên Trái đất.
Theo số liệu thống kê của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) năm
Theo số liệu năm 2010 (FAO, 2014), tổng đàn gia súc toàn cầu đạt khoảng 3.608,5 triệu con, trong đó châu Á chiếm ưu thế với khoảng 1.647,9 triệu con, tương đương 45,7% Đối với gia cầm, tổng số lượng đạt khoảng 21.744,4 triệu con, với châu Á là khu vực chiếm phần lớn, khoảng 12.061,8 triệu con, tương đương 55,5% Số lượng và phân bố của đàn gia súc và gia cầm trên thế giới được thể hiện rõ qua hình 1.1.
Hình 2.1 Số lượng đàn gia súc và gia cầm trên toàn thế giới năm 2010
Từ năm 2000 đến 2010, tốc độ tăng trưởng bình quân của số lượng đàn vật nuôi trên toàn cầu đạt khoảng 6,7% mỗi năm Cụ thể, số lượng gia súc tăng từ 3.288,5 triệu con vào năm 2000 lên 3.608,5 triệu con vào năm 2010, tương ứng với mức tăng trung bình 4,9% mỗi năm Trong khi đó, đàn gia cầm cũng ghi nhận sự gia tăng đáng kể, từ 16.054,1 triệu con lên 21.744,4 triệu con, với tốc độ tăng trưởng 6,7% hàng năm Xu hướng này được minh họa rõ nét trong hình 1.2.
Hình 2.2 Xu hướng tăng trưởng đàn gia súc và gia cầm trên thế giới giai đoạn 2000 – 2010
2.1.1.2 Tình hình phát triển chăn nuôi gia súc, gia cầm tại Việt Nam
Việt Nam, với 73% dân số sống ở nông thôn, đang chú trọng phát triển kinh tế nông nghiệp và nông thôn, đặc biệt là thông qua các hoạt động chăn nuôi hộ gia đình Mặc dù chăn nuôi mang lại lợi ích kinh tế, nhưng cũng gây ra nhiều vấn đề về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe cộng đồng và ảnh hưởng đến hệ sinh thái tự nhiên Nguyên nhân chính của những vấn đề này là do sự phát triển mạnh mẽ của ngành chăn nuôi và trình độ quản lý chất thải chăn nuôi còn thấp của người dân.
Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO) dự báo rằng Châu Á sẽ trở thành khu vực hàng đầu về sản xuất và tiêu thụ sản phẩm chăn nuôi Để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và tiến tới xuất khẩu, ngành chăn nuôi Việt Nam cần duy trì mức tăng trưởng cao, giống như các nước trong khu vực.
Theo báo cáo của Bộ NN&PTNT, ngành chăn nuôi năm 2015 đã chuyển dịch từ mô hình nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung, ứng dụng công nghệ để nâng cao hiệu quả kinh tế Mặc dù giá thức ăn chăn nuôi có xu hướng giảm, ngành vẫn đối mặt với thách thức từ dịch bệnh, việc sử dụng chất cấm và kháng sinh, cùng với cạnh tranh từ thịt nhập khẩu có giá thấp hơn.
Bảng 2.1 Số lượng một số gia súc, gia cầm tại Việt Nam giai đoạn 2013 – 2015 Đơn Cả vị nước tính
Nguồn: Tổng cục thống kê (2015)
Giá trị sản xuất ngành chăn nuôi đã ghi nhận mức tăng trưởng 4,3% so với cùng kỳ năm ngoái, nhờ vào sự gia tăng mạnh mẽ của đàn bò sữa, với tỷ lệ tăng lên đến 20,9% Sản lượng sữa bò tươi cũng đạt khoảng 120% so với cùng kỳ năm trước.
Chăn nuôi lợn đang phát triển thuận lợi nhờ vào việc không có dịch lợn tai xanh và giá bán lợn hơi đang ở mức có lợi cho người chăn nuôi Tính đến ngày 1/10, tổng đàn lợn trên toàn quốc đạt 27,7 triệu con, tăng 3,7% so với cùng kỳ năm trước Đồng thời, đàn gia cầm cũng ghi nhận sự tăng trưởng với 341,9 triệu con, tăng 4,3%.
Bảng 2.2 Số lượng các trang trại chăn nuôi trên cả nước
2 Trung du và miền núi phía bắc
3 Bắc trung bộ và duyên hải miền trung
Bảng 2.3 Số lượng trang trại chăn nuôi đạt tiêu chí kinh tế trang trại
(thời điểm năm 2012) Vùng Đồng bằng sông Hồng
Trung du và miền núi phía Bắc
Bắc Trung Bộ và duyên hải miền Trung
Tây Nguyên Đông Nam Bộ Đồng bằng sông Cửu Long
Theo số liệu từ Tổng cục Thống kê (2013), trong những năm gần đây, chăn nuôi theo quy mô trang trại tại Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ Xu hướng chuyển đổi từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán theo hộ gia đình sang chăn nuôi trang trại tập trung theo hướng sản xuất hàng hóa ngày càng rõ rệt Giai đoạn từ 2006 đến nay chứng kiến sự chuyển mình đáng kể trong ngành chăn nuôi.
Từ năm 2006 đến 2010, số lượng trang trại chăn nuôi tại Việt Nam đã tăng đáng kể, từ 17.721 lên 23.558 trang trại Vùng đồng bằng sông Hồng dẫn đầu với 3.174 trang trại, chiếm 39% tổng số trang trại trên cả nước Sự phát triển này không chỉ về số lượng mà còn về quy mô, phản ánh sự chuyển mình mạnh mẽ của ngành chăn nuôi trong giai đoạn này.
Thực trạng công tác quản lý, các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm gây nên trên thế giới và ở Việt Nam
2.2.1 Thực trạng chất thải, nước thải chăn nuôi gây áp lực cho môi trường
Theo báo cáo của Tổ chức Nông lương Liên Hiệp Quốc (FAO), ngành chăn nuôi đang gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm thoái hóa đất, biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí, thiếu nước, ô nhiễm nguồn nước và mất đa dạng sinh học Ngành chăn nuôi chiếm 26% diện tích bề mặt không phủ băng tuyết của trái đất và 33% diện tích đất trồng được được sử dụng để sản xuất thức ăn chăn nuôi Sự mở rộng của ngành chăn nuôi dẫn đến mất rừng, làm gia tăng tình trạng xói mòn đất vào mùa mưa và khô hạn vào mùa khô.
Trong quá trình chăn nuôi, lượng khí CO2 thải ra chiếm 9% tổng lượng khí thải toàn cầu, trong khi khí CH4, một loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh, cũng được thải ra với khối lượng đáng kể.
Chăn nuôi gia súc góp phần lớn vào ô nhiễm môi trường, với 37% lượng khí CO2 phát thải Khí CH4 chủ yếu được sản xuất từ quá trình tiêu hóa của thú nhai lại, khi vi khuẩn phân hủy cellulose trong cỏ, dẫn đến sự phát thải khí này qua ợ hơi Ngoài ra, ngành chăn nuôi cũng chịu trách nhiệm cho 65% lượng khí NOx, có khả năng gây hiệu ứng nhà kính gấp 296 lần CO2, và tạo ra 2/3 tổng lượng phát thải khí NH3, nguyên nhân chính gây ra mưa axit, làm tổn hại đến các hệ sinh thái.
Thế giới đang đối mặt với tình trạng thiếu nước ngọt nghiêm trọng, với dự đoán rằng đến năm 2025, 64% dân số sẽ sống trong điều kiện căng thẳng về nguồn nước Ngành chăn nuôi, với nhu cầu sử dụng nước chiếm khoảng 8% tổng lượng nước của nhân loại, đang làm trầm trọng thêm vấn đề này Hơn nữa, lượng nước thải từ chăn nuôi chứa các chất kháng sinh, hormone và hóa chất sát trùng đã gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.
Ngành chăn nuôi không chỉ ảnh hưởng đến môi trường qua việc giảm lượng nước bổ sung cho các mạch nước ngầm, mà còn gây ra tình trạng mất rừng và thoái hóa đất, làm giảm khả năng thẩm thấu của đất Tất cả những tác động tiêu cực này dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học, theo nghiên cứu của Đào Lệ Hằng (2009).
2.2.2 Tình hình dịch bệnh trong ngành chăn nuôi
Trong chăn nuôi gia súc và gia cầm, dịch bệnh là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của đàn vật nuôi về cả số lượng lẫn chất lượng Đây là một yếu tố khách quan, có tác động lớn đến ngành chăn nuôi Bên cạnh đó, yếu tố chủ quan từ con người cũng đóng vai trò quan trọng, có thể tạo điều kiện thuận lợi hoặc bất lợi cho sự phát triển của nhiều căn bệnh, thậm chí dẫn đến ổ dịch gây thiệt hại đáng kể cho đàn vật nuôi.
Từ năm 2003, ngành chăn nuôi Việt Nam đã gặp nhiều khó khăn do dịch bệnh, đặc biệt là dịch cúm gia cầm và dịch tai xanh ở lợn Dịch cúm gia cầm đã lan rộng ra 57/64 tỉnh thành, gây thiệt hại nặng nề cho sản xuất và ảnh hưởng lớn đến thị trường tiêu dùng.
Từ năm 2008, Việt Nam đã chi 236 triệu USD để phòng chống cúm gia cầm, nhưng dịch bệnh vẫn chưa được kiểm soát (Vũ Trọng Bình, Đào Đức Huấn, Nguyễn Mạnh Cường, 2014) Đối với dịch tai xanh, từ năm 2007 đến nay, dịch bệnh đã xảy ra ở 38 tỉnh thành, với hậu quả nghiêm trọng Năm 2007, có 13.355 hộ gia đình bị ảnh hưởng tại 14 tỉnh, với gần 30.000 con lợn bị tiêu hủy Đến năm 2008, dịch bệnh lan rộng ra 28 tỉnh thành, số lợn bị tiêu hủy tăng gấp 10 lần so với năm trước (Vũ Trọng Bình, Đào Đức Huấn, Nguyễn Mạnh Cường, 2014).
Sự phát triển quy mô trong ngành chăn nuôi đã dẫn đến việc gia tăng tình trạng dịch bệnh, với tốc độ lây lan nhanh chóng và khó kiểm soát Mức độ thiệt hại do dịch bệnh gây ra ngày càng lớn, tạo ra những thách thức lớn mà ngành chăn nuôi phải đối mặt trong thời gian tới.
2.2.3 Công tác quản lý, xử lý chất thải chăn nuôi ở Việt Nam
Hiện nay, chăn nuôi nông hộ vẫn chiếm tỷ lệ lớn ở Việt Nam, dẫn đến khó khăn trong việc xử lý và quản lý chất thải vật nuôi Trong những năm qua, chất thải từ chăn nuôi nông hộ chủ yếu được xử lý bằng ba biện pháp chính.
- Chất thải vật nuôi thải trực tiếp ra kênh mương và trực tiếp xuống ao, hồ;
- Chất thải được ủ làm phân bón cho cây trồng;
Chất thải chăn nuôi có thể được xử lý hiệu quả bằng công nghệ khí sinh học (biogas) Mặc dù còn một số phương pháp khác như xử lý bằng sinh vật thủy sinh (cây muỗi nước, bèo lục bình) và xử lý bằng hồ sinh học, nhưng những phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi.
Theo Cục Chăn nuôi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2014, cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi gia đình và 18.000 trang trại chăn nuôi lớn Hoạt động chăn nuôi không chỉ mang lại giá trị kinh tế cao từ trứng, thịt, sữa mà còn gây phát thải lớn, với 85 triệu tấn chất thải rắn và hàng trăm triệu tấn nước thải mỗi năm Tuy nhiên, chỉ 8,7% hộ chăn nuôi sử dụng hầm khí sinh học, và chưa đến 10% chất thải rắn được xử lý Khảo sát cho thấy chỉ 10% chuồng trại đạt yêu cầu vệ sinh, 0,6% hộ có cam kết bảo vệ môi trường, và hơn 40% hộ không áp dụng bất kỳ phương pháp xử lý chất thải nào.
Bảng 2.4 Thực trạng quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi
Quy mô, Trang trại phương thức chăn nuôi Số lượng
Có đánh giá tác động 1.047 môi trường
Có xử lý chất thải
24.729 kiên cố/bán kiên cố
Có xử lý chất thải truyền thống 11.626
(ủ, bán, nuôi cá, tưới cây)
Nguồn: Báo cáo công tác BVMT trong chăn nuôi (2012
Công tác bảo vệ môi trường trong hoạt động chăn nuôi đang gặp nhiều thách thức do các nguyên nhân khác nhau, dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường tại một số cơ sở chăn nuôi lớn và khu vực dân cư chưa được cải thiện triệt để và có xu hướng gia tăng.
Cơ sở khoa học xử lý chất thải chăn nuôi chống ô nhiễm môi trường 10 1 Chất thải rắn và lỏng
2.3.1 Chất thải rắn và lỏng
Phân gia súc là các thành phần từ thức ăn và nước uống mà cơ thể không hấp thụ, chứa nhiều chất như Nitơ, Phốt pho, Kali, Kẽm, và Đồng Các khoáng chất dư thừa như P2O5, K2O, CaO, và MgO chủ yếu xuất hiện trong phân Lượng phân thải ra khác nhau tùy thuộc vào loại gia súc, thức ăn, độ tuổi và khẩu phần ăn Gia súc ở độ tuổi khác nhau có khả năng tiêu hóa và nhu cầu dinh dưỡng khác nhau.
Bảng 2.5 Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm
Lợn < 10kg Lợn 15-45kg Lợn 45-100kg
Thành phần hóa học của phân chịu ảnh hưởng lớn từ dinh dưỡng, tình trạng sức khỏe, phương pháp nuôi dưỡng, điều kiện chuồng trại và loại gia súc, gia cầm.
Bảng 2.6 Thành phần hóa học cơ bản của các loại phân gia súc, gia cầm
Phân loại gia súc, gia cầm
Tối đa Tối thiểu Trung bình Tối đa Tối thiểu Trung bình Tối đa Tối thiểu Trung bình Tối đa Tối thiểu Trung bình
Phân gia súc, đặc biệt là phân lợn, chứa nhiều vi rút, vi khuẩn và trứng giun sán, có khả năng tồn tại từ vài ngày đến vài tháng trong môi trường, gây ô nhiễm đất và nước, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe con người và vật nuôi Theo thống kê của Lê Trình về ô nhiễm môi trường nước, có nhiều loại vi khuẩn gây bệnh trong phân gia súc và gia cầm.
Bảng 2.7 Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng có trong phân gia súc và điều kiện tiêu diệt
Tên vi trùng, ký sinh trùng
Xác súc vật chết do bệnh luôn là nguồn gây ô nhiễm chính cần phải được xử lý để nhằm tránh lây lan cho con người và vật nuôi
Thức ăn thừa và vật liệu lót chuồng bao gồm nhiều thành phần đa dạng như cám, bột ngũ cốc, bột tôm, bột cá, khoáng chất bổ sung, rau xanh, kháng sinh và rơm rạ.
Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước thải từ gia súc, nước vệ sinh và chất thải từ chuồng trại, tạo ra một nguồn ô nhiễm nghiêm trọng Mức độ ô nhiễm này phụ thuộc vào phương pháp vệ sinh chuồng trại, chẳng hạn như việc hốt phân và tần suất tắm rửa cho gia súc Mặc dù nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như axít, kim loại nặng hay hóa chất công nghiệp, nhưng nó lại chứa nhiều vi khuẩn, ấu trùng và giun sán, có thể gây hại cho sức khỏe con người Thành phần nước thải chủ yếu là chất hữu cơ chiếm 70-80%, bao gồm cellulose, protein, axít amin, chất béo và hydrat cacbon, trong khi chất vô cơ chiếm 20-30%, bao gồm cát, đất, muối, urê và amonium.
Mùi hôi trong chuồng nuôi xuất phát từ sự kết hợp khí do quá trình phân hủy phân, nước tiểu gia súc và thức ăn thừa Cường độ mùi phụ thuộc vào độ thông thoáng, tình trạng vệ sinh, mật độ nuôi và các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và độ ẩm Thành phần khí trong chuồng nuôi thay đổi theo giai đoạn phân hủy chất hữu cơ, loại thức ăn, hệ vi sinh vật và sức khỏe của vật nuôi.
Khí NH3 và H2S trong chuồng nuôi chủ yếu hình thành từ quá trình phân hủy phân do vi sinh vật, gây ra mùi hôi khó chịu Ngoài ra, NH3 cũng được sinh ra từ sự phân giải urê trong nước tiểu Thành phần khí trong chuồng nuôi thay đổi theo giai đoạn phân hủy chất thải hữu cơ, loại thức ăn, hệ thống vi sinh vật, và tình trạng sức khỏe của vật nuôi.
Khí sinh ra chủ yếu bao gồm NH3, H2S, CH4 và CO2 Theo Phạm Thị Ngọc Lan, trong 3-5 ngày đầu, mùi hôi phát sinh rất ít do vi sinh vật chưa phát triển mạnh Nhóm –NH2 của amin được tách ra để hình thành NH3.
Indole Scatole phenol Axít hữu cơ mạch ngắn
Quá trình phân giải urê:
(NH 4 ) 4 CO 3 ít bền vững nên dễ bị phân hủy tiếp
* Phân loại khí chuồng nuôi Theo Trương Thanh Cảnh, các khí sinh ra từ chăn nuôi được chia thành các nhóm sau:
Nhóm khí kích thích như NH3 có tác hại nghiêm trọng đến đường hô hấp và phổi, gây tổn thương niêm mạc và kích thích thị giác, dẫn đến giảm thị lực Ngoài ra, nhóm khí gây ngạt, bao gồm CO2, cũng gây ra những nguy hiểm cho sức khỏe con người.
CH 4 ): Những chất khí này trơ về mặt sinh lý Đối với thực vật, CO 2 có ảnh hưởng tốt, tăng cường khả năng quang hợp Nồng độ CH 4 trong không khí từ 45% trở lên gây ngạt thở do thiếu ôxy Khi hít phải khí này có thể gặp các triệu chứng nhiễm độc như: Co giật, ngạt, viêm phổi Các chất khí gây ngạt hóa học (CO): Là những chất khí gây ngạt bởi chúng liên kết với Hemoglobin của hồng cầu máu làm ngăn cản quá trình thu nhận hoặc quá trình sử dụng ôxy của các mô bào
Nhóm khí gây mê bao gồm các hydrocacbon có tác động nhẹ hoặc không ảnh hưởng đến phổi, nhưng khi hấp thu vào máu, chúng hoạt động như các dược phẩm gây mê.
Nhóm các chất khí khác bao gồm các nguyên tố và chất độc dễ bay hơi, có thể gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe khi xâm nhập vào cơ thể Một ví dụ điển hình là khí phenol, có khả năng gây độc ở nồng độ cấp tính.
Các biện pháp xử lý chất thải ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm 15 1 Biện pháp ủ sinh học tạo phân hữu cơ sinh học (composting) 15 2 Lịch sử phát triển của công nghệ biogas
2.4.1 Biện pháp ủ sinh học tạo phân hữu cơ sinh học (composting) Ủ phân compost (phân hỗn hợp, ví dụ phân nguyên phối hợp với phân xanh) là một quá trình phân huỷ hiếu khí phân, chất thải chăn nuôi có kiểm soát, được thực hiện bởi nhiều loại vi sinh vật khác nhau thuộc hai nhóm ưa ấm và chịu nhiệt, cho ra sản phẩm CO 2 , nước, khoáng chất và các chất hữu cơ ổn định.
Thông thường ủ phân compost được dùng để xử lý chất thải rắn và bán rắn như phân gia súc, phế phụ phẩm chế biến nông nghiệp, trồng trọt vv…
Việc ủ phân compost mang lại nhiều thuận lợi, trong đó mục đích chính là ổn định chất thải chăn nuôi Quá trình sinh học này giúp biến đổi các chất thải hữu cơ thành những vật chất vô cơ ít gây ô nhiễm khi thải vào môi trường tự nhiên.
Phân compost có tác dụng cải tạo đất và cung cấp dưỡng chất cho cây trồng bằng cách biến đổi các hợp chất hữu cơ thành hợp chất vô cơ dễ hấp thu Việc bón phân compost giúp giảm thiểu quá trình rửa trôi khoáng chất, giữ nước và làm tơi xốp đất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của bộ rễ Tuy nhiên, chất lượng của phân compost không ổn định và không đảm bảo đủ hàm lượng dinh dưỡng cần thiết, cũng như không đảm bảo tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các vi khuẩn tạo nha bào.
- Các giai đoạn trong quá trình ủ phân compost
Giai đoạn chậm: là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi, chuẩn bị các điều kiện cần thiết cho quá trình sinh trưởng, phát triển
Trong giai đoạn tăng trưởng, nhiệt độ của mẻ ủ tăng lên do nhiệt lượng phát sinh từ các phản ứng sinh học, và đạt đến ngưỡng tối ưu cho vi sinh vật ưa ấm, nằm trong khoảng 30 – 40 độ C.
Giai đoạn nhiệt hoá, hay còn gọi là giai đoạn thermophillic, là thời điểm mà nhiệt độ trong mẻ ủ đạt mức cao nhất, tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của các vi sinh vật chịu nhiệt Trong giai đoạn này, quá trình cố định chất thải và vô hiệu hoá các vi sinh vật gây bệnh diễn ra hiệu quả.
Giai đoạn thuần thục, hay giai đoạn khoáng hoá, là thời điểm mà nhiệt độ trong mẻ ủ giảm dần và đạt cân bằng với nhiệt độ môi trường Trong giai đoạn này, quá trình lên men thứ cấp diễn ra, chuyển đổi các chất hữu cơ thành mùn, đồng thời nitrat hoá cũng xảy ra, biến NH3 và NH4 thành NO3 nhờ vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter Quá trình này diễn ra chậm, đòi hỏi thời gian đủ dài để đạt được sản phẩm chất lượng cao Ủ phân compost thường diễn ra trong môi trường có pH trung tính; tuy nhiên, ở giai đoạn đầu, pH có thể giảm do sự hình thành axit béo, sau đó trở lại trung tính khi các axit béo này chuyển hoá thành CH4 và CO2.
Để nhận biết một mẻ ủ thuần thục, cần chú ý đến một số dấu hiệu quan trọng: nhiệt độ của mẻ ủ sẽ tăng cao (50 – 70 độ C) và sau đó giảm dần cho đến khi đạt mức cân bằng với môi trường xung quanh Đồng thời, hàm lượng các hợp chất hữu cơ sẽ giảm, xuất hiện nhiều gốc NO3 và không còn NH3, đồng nghĩa với việc không còn mùi hôi thu hút côn trùng Cuối cùng, sự xuất hiện của xạ khuẩn Actinomyces cũng là một chỉ số quan trọng trong quá trình ủ.
Dân số thế giới gia tăng đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí đốt thiên nhiên đang dần cạn kiệt Điều này đặt ra nguy cơ thiếu hụt năng lượng cho nhân loại Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới, như biogas, trở thành ưu tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển năng lượng Biogas không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng góp tích cực cho xã hội và môi trường, như cung cấp năng lượng bền vững, thúc đẩy chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông thôn và bảo vệ môi trường sống.
Hiện nay, biogas đang trở thành một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn cầu, chiếm khoảng 9% đến 10% tổng năng lượng thế giới Nếu khai thác triệt để nguồn phế thải toàn cầu, có thể sản xuất được 200 tỷ m³ khí sinh học hàng năm, tương đương với 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao Nhiều quốc gia đã tập trung nghiên cứu và triển khai các ứng dụng của khí sinh học, đạt được nhiều thành tựu đáng kể.
Trung Quốc có lịch sử phát triển khí sinh học từ cuối thế kỷ XIX, với 7,5 triệu bể được xây dựng vào năm 1978, tạo ra khoảng 2,5 tỷ m³ khí mỗi năm, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ Đến năm 1979, đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas, với công suất lên tới 1.500 kW Đến năm 1985, Trung Quốc xây dựng 70 triệu bể, và đến cuối năm 2003, có hơn 9,7 triệu hầm cho hộ gia đình, với hơn 90% hầm hoạt động tốt, sản xuất khoảng 2.980.000 m³/năm Biogas chủ yếu được sử dụng cho đun nấu, thắp sáng và phát điện Từ 2006 đến 2011, chính phủ đầu tư 21,2 tỷ Nhân dân tệ để phát triển khí sinh học ở nông thôn, giúp 40 triệu hộ gia đình, chiếm 1/3 dân số nông thôn, tiếp cận với nguồn năng lượng này Tại các vùng nghèo, biogas và năng lượng Mặt Trời được coi là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường Hiện nay, Trung Quốc sản xuất ít nhất 16 tỷ m³ khí sinh học mỗi năm, đáp ứng 13% nhu cầu tiêu thụ khí đốt tự nhiên của cả nước.
Nepal là nước đã ứng dụng khí sinh học từ thập kỷ 80 và từ năm
Vào năm 1992, với sự hỗ trợ từ Dự án SNV, Chính phủ Nepal đã triển khai Chương trình Hỗ trợ Khí sinh học (KSH), dẫn đến việc xây dựng nhiều bể KSH Số lượng bể KSH đã tăng từ khoảng 2000 vào năm 1991-1992 lên đáng kể trong những năm tiếp theo.
2008, Nepal đã xây dựng thêm mỗi năm khoảng 16 000 đến 18 000 bể KSH.
Từ năm 2008 ở Népal đã có 140 000 bể KSH cho các gia đình nông dân ở 62 địa phương và phục vụ cho lợi ích thiết thực của 11000 hộ nông dân.
Nepal không nuôi lợn, chủ yếu sử dụng phân và nước tiểu của người và trâu bò, nhờ có bể KSH mà môi trường nông thôn được cải thiện rõ rệt Chuồng trâu bò trở nên sạch sẽ, không còn ruồi muỗi và mùi hôi thối, góp phần thay đổi môi trường sống Nguồn phân và nước tiểu được tận dụng để sản xuất phân hữu cơ chất lượng cao, an toàn, không mùi hôi, dễ hấp thu cho cây trồng và cải thiện chất đất Đặc biệt, nếu có đủ số lượng trâu bò, sẽ có đủ lượng KSH để cung cấp năng lượng cho máy nổ nhỏ, giúp thắp sáng và giải trí bằng TV, radio.
Kỹ thuật biogas đã được phát triển tại Việt Nam từ năm 1960 và trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong chương trình nghiên cứu năng lượng mới và tái tạo sau năm 1975 Từ đó đến năm 1990, nhiều nghiên cứu quan trọng đã được thực hiện, tập trung vào công nghệ biogas Các đơn vị tham gia vào chương trình này bao gồm Viện Năng Lượng, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TpHCM, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, và Đại học Cần Thơ.
Sở Khoa học, Công Nghệ và Môi trường địa phương.
Kể từ năm 1992, trường Đại học Nông Lâm TpHCM đã phát triển mô hình hầm ủ biogas dạng túi trong khuôn khổ dự án của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, với sự hỗ trợ từ các tổ chức như FAO, SAREC, SIDA và Viện chăn nuôi nông nghiệp Quốc gia Mô hình này nổi bật với chi phí đầu tư thấp, kỹ thuật lắp đặt và vận hành đơn giản, đã nhanh chóng được Hội Làm vườn Việt Nam và nhiều tổ chức cá nhân khác chấp nhận và nhân rộng.
Hiện nay, cả nước có khoảng 500.000 hầm phân hủy biogas quy mô dưới 10m3 thuộc các hộ gia đình nông dân Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam, được Chính phủ Hà Lan tài trợ, đã xây dựng 15.678 hầm biogas tính đến năm 2011 Tuy nhiên, chỉ có chưa đến 100 hầm biogas thương mại với dung tích 100-200m3 tại các trang trại nuôi lợn, trong khi cả nước có tới 17.000 trang trại lợn, cho thấy chỉ khoảng 0,3% trang trại có hầm biogas Về công nghệ, hầu hết các hầm ủ nhỏ là loại hầm vòm cố định làm bằng gạch hoặc composite từ các cơ sở chuyên nghiệp, nhưng hiện tại vẫn chưa có nhà máy sản xuất điện biogas nào được kết nối với lưới điện quốc gia.
Những vấn đề cơ bản về Biogas
2.5.1 Khái niệm a) Khái niệm về biogas
Biogas là khí sinh ra từ quá trình lên men kị khí, trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp được phân giải thành các chất vô cơ đơn giản, với khí metan là sản phẩm chính Khí metan, chiếm từ 40 đến 70% thành phần của biogas, có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh nhiệt hiệu quả.
(35 - 40%) và các khí khác với hàm lượng thấp như H 2 S, H 2 , O 2, N 2
Khí CH4 sinh ra từ biogas là một nguồn năng lượng hữu ích, đóng góp vào việc cải thiện môi trường, đặc biệt trong ngành chăn nuôi Công nghệ biogas không chỉ mang lại nhiều lợi ích kinh tế mà còn hỗ trợ sự phát triển bền vững cho các nước đang phát triển như Việt Nam Mặc dù công nghệ này mới được áp dụng gần đây, nhưng nó đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong nhiều lĩnh vực, góp phần vào sự phát triển xã hội và bảo vệ môi trường.
Biogas là một hỗn hợp khí nhẹ hơn không khí, với nhiệt độ bốc lửa khoảng 700 độ C So với các loại nhiên liệu khác, dầu DO có nhiệt độ bốc lửa khoảng 350 độ C, trong khi xăng gas và propane chỉ khoảng 50 độ C Nhiệt độ ngọn lửa khi sử dụng biogas đạt khoảng 870 độ C.
Biogas chứa 50-70% metan (CH4) và 35-50% carbon dioxide (CO2), với hàm lượng hơi nước từ 30-160 g/m3 và H2S khoảng 4-6 g/m3 Năng lượng của biogas đạt khoảng 5,96 kWh/m3 và có tỷ trọng 0,94 kg/m3 Để quá trình cháy biogas diễn ra hiệu quả, cần khoảng 5,7 m3 không khí cho mỗi m3 biogas, với tốc độ cháy khoảng 40 cm/s.
Quá trình phân hủy kéo dài sẽ làm tăng nồng độ metan và giá trị năng lượng của biogas Nếu thời gian lưu ngắn, hàm lượng metan có thể giảm tới 50%, khiến biogas không còn khả năng cháy Do đó, lượng biogas được sản xuất trong 4-5 ngày đầu tiên thường sẽ bị xả bỏ Hàm lượng khí CH4 trong biogas phụ thuộc vào nhiệt độ; nhiệt độ thấp sẽ dẫn đến hàm lượng CH4 cao hơn, nhưng lưu lượng biogas sinh ra lại giảm Danh sách hàm lượng CH4 sinh ra từ các loại chất thải điển hình cũng được đưa ra để tham khảo.
- Chất thải của trâu, bò: 65%
- Chất thải của gia cầm: 60%
Lượng khí sinh ra được đo bằng (Nm³) biogas hoặc (Nm³) CH₄ Phương pháp xác định theo (Nm³) biogas cho kết quả nhanh hơn, nhưng độ chính xác không cao bằng phương pháp đo theo (Nm³) CH₄.
Giá trị năng lượng của 1 m³ biogas chứa 62% CH₄ khoảng 22 MJ, tương đương với năng lượng điện khoảng 6 kWh Hệ số tỷ lượng cháy cho thấy nhu cầu không khí trong quá trình cháy là khoảng 9,6 m³ không khí/m³ CH₄, tức khoảng 5,75 m³ không khí/m³ biogas Bảng 2.8 trình bày thành phần và một số tính chất cơ bản của biogas.
Giá trị lưới năng lượng (n.c.v)
Giới hạn cháy nổ Điểm bốc cháy
Hệ số tỷ trọng với không khí
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age International Publisher (2006) c) Tính chất của khí sinh học
KSH là khí ướt chứa hơi nước bão hòa từ dung dịch phân giải, cần loại bỏ hơi nước ngưng tụ trong đường ống Thành phần của KSH thay đổi, thường có tỉ lệ metan chiếm 60% và cacbonic 40% Khối lượng riêng của KSH là 1,2196 kg/m³, với tỷ trọng so với không khí là 0,94, cho thấy KSH nhẹ hơn nước Nhiệt trị của KSH chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng metan; với 60% metan, KSH có nhiệt trị là 5.146 Kcal/m³.
Giải quyết vấn đề chất đốt và mang lại lợi ích xã hội
Phát triển khí sinh học là một bước tiến quan trọng trong việc giải quyết vấn đề thiếu chất đốt ở nông thôn, đáp ứng nhu cầu của cộng đồng dân cư Việc sử dụng biogas, một nguồn nhiên liệu tái tạo từ các nguồn sinh vật tự nhiên, đã thay thế các nhiên liệu rắn như than và củi, mang lại sự thay đổi lớn trong lịch sử năng lượng nông thôn Sáng chế này không chỉ giúp nông dân và cư dân nông thôn có nguồn năng lượng ổn định mà còn tiết kiệm nhiên liệu cho quốc gia, đồng thời thúc đẩy sản xuất công – nông nghiệp và tăng cường hợp tác trong cộng đồng nông thôn.
Phát triển biogas không chỉ giải quyết vấn đề thiếu chất đốt mà còn mang lại nhiều lợi ích khác Bã thải biogas có thể được sử dụng làm phân bón, cải thiện đất trồng trọt và thúc đẩy thâm canh nông nghiệp Rơm rạ, khi được sử dụng làm chất đốt, còn có thể làm thức ăn cho gia súc, giúp tiết kiệm lao động trước đây dùng để kiếm củi Việc giảm nhu cầu củi trong nấu nướng góp phần bảo vệ rừng và tăng diện tích rừng Ngoài ra, tiền tiết kiệm từ việc mua than và nhiên liệu rắn sẽ giảm gánh nặng tài chính cho nông dân, đồng thời giảm chi phí vận chuyển than mà nhà nước cấp cho nông thôn, từ đó có thể đầu tư vào các lĩnh vực khác Sau khi áp dụng biogas, phụ nữ nông thôn có thêm thời gian tham gia sản xuất nông nghiệp, nhờ vào việc tiết kiệm thời gian nấu nướng với gas Cuối cùng, sử dụng biogas hiệu quả còn giúp tiết kiệm điện năng và chi phí nhờ vào khả năng cung cấp khí cho đèn thắp sáng và máy phát điện.
Kích thích sản xuất nông nghiệp
Phát triển biogas là giải pháp quan trọng để thúc đẩy sản xuất nông nghiệp, tăng cường số lượng và chất lượng phân hữu cơ từ phân người, súc vật, rơm rạ và chất thải thực vật thông qua quá trình phân hủy trong hầm biogas kín khí Thay vì sử dụng rơm làm chất đốt, nông dân hiện nay có thể ủ rơm trực tiếp ngoài đồng hoặc trong hầm biogas, vừa thu được khí gas sử dụng vừa sản xuất phân bón với hàm lượng chất hữu cơ và amoniac cao hơn Nghiên cứu cho thấy, sau 30 ngày ủ men trong hầm biogas, thành phần amoniac của phân hữu cơ tăng 19.3% và photphat hữu ích tăng 31.8%, đồng thời ngăn chặn sự bốc hơi và mất mát amoniac.
Phân ủ trong hầm biogas đã chứng minh khả năng tăng năng suất nông nghiệp, với năng suất ngô tăng 28%, lúa 10%, lúa mì 12.5% và bông 24.7% Sử dụng nước thải từ biogas để ngâm hạt giống cũng làm tăng đáng kể tỷ lệ nảy mầm so với hạt giống không được ngâm.
Các vật liệu như thân cây, cỏ dại, lá cây và chất thải khác rất phù hợp để đưa vào hầm biogas, giúp nông dân tăng cường nguồn phân bón cho cây trồng Chất hữu cơ từ phân động vật và cây xanh sau khi phân hủy sản xuất biogas trở thành phân hữu cơ giàu dinh dưỡng, với các nguyên tố N, P, K không bị mất mà chuyển hóa thành dạng dễ hấp thụ cho cây Bã thải từ quá trình này, cả phần đặc và lỏng, khi bón cho cây sẽ nâng cao năng suất, làm cho cây khỏe mạnh và giảm sâu bệnh Sau hai đến ba năm bón liên tục, tác dụng cải tạo đất trở nên rõ ràng Ngoài ra, việc phân hủy kị khí cũng cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi, với axit amin tăng lên đáng kể, ví dụ như phân trâu bò có thể tăng 230% axit amin sau phân hủy Để sử dụng nguồn này làm thức ăn cho gia súc và gia cầm, bã thải thường được sấy khô và đóng thành bánh để sử dụng trực tiếp.
Nuôi thủy sản và sử dụng bã thải làm thức ăn giúp cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết, kích thích sự phát triển của thực vật phù du và động vật phù du, từ đó tăng cường nguồn thức ăn cho cá Nhờ vậy, sản lượng nuôi trồng thủy sản tăng đáng kể.
Biogas góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường
Phát triển chương trình biogas là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề phân bón và cải thiện vệ sinh môi trường, cũng như tiêu chuẩn sức khỏe ở nông thôn Việc thu gom chất thải từ gia súc và con người vào hầm biogas giúp tiêu diệt các loại ký sinh trùng như sán và giun Nghiên cứu từ các viện ký sinh trùng cho thấy, sau quá trình ủ lên men, bã thải chỉ còn lại rất ít trứng ký sinh trùng, với giun sán giảm tới 95% và số lượng trứng sán, giun và ký sinh trùng gây hại khác có thể giảm tới 99%.
Một số dự án đã xử lý chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm bằng hầm
Dự án Quản lý chất thải vật nuôi ở Đông Á (LWMEA) được Quỹ Môi trường Toàn cầu (GEF) tài trợ qua Ngân hàng Thế giới Tại Việt Nam, dự án này được thực hiện bởi Viện Chiến lược, Chính sách tài nguyên và môi trường thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, kéo dài từ tháng 9 năm 2006 đến tháng 6 năm 2010.
Dự án LWMEA hỗ trợ Việt Nam xây dựng mô hình xử lý chất thải vật nuôi bằng hầm biogas và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường tại huyện Thường Tín, Hà Nội và huyện Vĩnh Cửu, Đồng Nai Biogas đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam từ những năm 1960, mang lại nhiều kết quả khả quan trong việc giảm ô nhiễm môi trường chăn nuôi Tuy nhiên, do chi phí cao, tỷ lệ ứng dụng trong chăn nuôi nông hộ vẫn còn thấp, khiến nhiều người vẫn sử dụng phương pháp ủ yếm khí truyền thống Với sự hỗ trợ của Dự án LWMEA, vào tháng 1 năm 2008, ba mô hình biogas đã được triển khai tại thôn Tử Dương, xã Tô Hiệu, huyện Thường Tín Các mô hình này bao gồm hệ thống cộng đồng với 6 hầm biogas cỡ trung bình, hệ thống 3 hộ gia đình với 1 hầm biogas cỡ lớn, và hệ thống 1 hộ gia đình với 1 hầm biogas cỡ nhỏ Đến tháng 12 năm 2008, các hệ thống này đã hoàn thiện và đi vào hoạt động, góp phần cải thiện môi trường cho thôn.
Hệ thống gas tại Tử Dương không chỉ phục vụ nhu cầu sinh hoạt của các hộ gia đình mà còn giải quyết hiệu quả vấn đề mùi hôi từ chất thải của các hộ chăn nuôi, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong thôn.
Xử lý chất thải vật nuôi bằng hầm biogas diễn ra qua hai giai đoạn chính: xử lý yếm khí và xử lý hiếu khí Trong giai đoạn yếm khí, chất hữu cơ từ phân lợn được đưa vào hầm biogas, nơi diễn ra quá trình phân hủy, tạo ra khí NH4, CO2, H2O và các chất khoáng như NH3, C2O5, N2, K2O Giai đoạn này giúp giảm hàm lượng BOD và COD xuống 80-90%, đồng thời chuyển đổi 85-90% chất hữu cơ thành các chất vô cơ dễ tiêu, có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng Ngoài ra, quá trình này còn sản xuất khí gas phục vụ cho việc nấu nướng và thắp sáng.
Giai đoạn xử lý hiếu khí là bước tiếp theo sau khi chất thải dư thừa từ giai đoạn xử lý yếm khí được thải ra ngoài ao, hồ Tại đây, chất thải được xử lý bằng phương pháp hiếu khí, giúp tiêu diệt hầu hết các vi trùng gây bệnh cho người và gia súc, đạt hiệu quả lên đến 99,6% Nước sau khi xử lý có thể được sử dụng cho ao cá hoặc tưới tiêu cho cây trồng.
Sau thời gian thử nghiệm, ba hệ thống hầm biogas đã hoạt động ổn định và hiệu quả Vào ngày 26/5/2009, Ban quản lý Dự án LWMEA đã chính thức bàn giao các hệ thống này cho thôn Tử Dương, xã Tô Hiệu, huyện Thường Tín, nhằm nâng cao vai trò và trách nhiệm của địa phương trong việc sử dụng, quản lý và duy trì hoạt động của các hệ thống biogas.
Dự án sẽ mở rộng mô hình xử lý chất thải vật nuôi bằng hầm biogas sau thành công thí điểm tại Hà Nội, với kế hoạch triển khai 01 mô hình tại Thanh Oai, 04 mô hình tại huyện Vĩnh Cửu, Đồng Nai, và một số mô hình khác ở Sơn Tây, Hà Nội, nhằm hoàn thiện và nhân rộng công nghệ này đến người dân trên toàn quốc.