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 vấn đề thiết yếu cho sự sống còn của nhân loại Ngày nay, nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lương thực và thực phẩm, góp phần nuôi sống toàn bộ dân số trên trái đất.
Ngành chăn nuôi đóng vai trò quan trọng trong kinh tế, xã hội và chính trị toàn cầu, chiếm 70% diện tích đất nông nghiệp và 30% diện tích không có băng giá trên hành tinh Ngoài ra, chăn nuôi cũng đóng góp 40% vào 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 sự đa dạng nguồn gen và đa dạng sinh học trên Trái đất.
Theo số liệu thống kê của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) năm
Theo số liệu của FAO năm 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% Đồng thời, tổng đàn gia cầm lên tới 21.744,4 triệu con, với 12.061,8 triệu con, tức 55,5%, cũng chủ yếu tập trung tại châu Á Sự phân bố và số lượng của đàn gia súc, 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 số lượng đàn vật nuôi toàn cầu đạt khoảng 6,7% mỗi năm Cụ thể, số lượng gia súc tăng từ 3.288,5 triệu con năm 2000 lên 3.608,5 triệu con vào năm 2010, tương ứng với mức tăng bình quân 4,9% mỗi năm Trong khi đó, đàn gia cầm cũng ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ, từ 16.054,1 triệu con năm 2000 lên 21.744,4 triệu con vào năm 2010, với tốc độ tăng 6,7% mỗi năm Xu hướng này được thể hiện rõ qua 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 khoảng 73% dân số sống ở vùng nông thôn, đang chú trọng phát triển kinh tế nông nghiệp và nông thôn, đặc biệt là kinh tế hộ gia đình thông qua chăn nuôi Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của ngành chăn nuôi đã dẫn đến nhiều vấn đề về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe cộng đồng và ảnh hưởng đến hệ sinh thái tự nhiên, chủ yếu do trình độ quản lý chất thải chăn nuôi của người dân còn thấp.
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 từng bước phát triển 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 mình từ mô hình nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung, áp 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 sự cạnh tranh từ thịt nhập khẩu có giá thấp hơn thịt nội địa.
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 tăng 4,3% so với cùng kỳ năm ngoái, chủ yếu nhờ vào sự tăng trưởng mạnh mẽ của đàn bò sữa, với mức tăng 20,9% Sản lượng sữa bò tươi cũng đạt khoảng 120% so với cùng kỳ năm trước.
Chăn nuôi lợn đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào việc không xảy ra dịch lợn tai xanh và giá lợn hơi đang ở mức có lợi cho người chăn nuôi Tính đến ngày 1/10, tổng đàn lợn cả nước đạt 27,7 triệu con, tăng 3,7% so với cùng kỳ năm trước, trong khi 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 tại Việt Nam đã chuyển mình mạnh mẽ từ quy mô nhỏ lẻ sang mô hình trang trại tập trung Xu hướng này phản ánh sự chuyển đổi từ chăn nuôi phân tán theo hộ gia đình sang sản xuất hàng hóa quy mô lớn, đặc biệt rõ nét trong giai đoạn 2006 đến nay.
Từ năm 2006 đến 2010, số lượng trang trại chăn nuôi ở Việt Nam đã tăng mạnh, từ 17.721 lên 23.558 trang trại Khu vực đồng bằng sông Hồng dẫn đầu với 3.174 trang trại, chiếm 39% tổng số trang trại trên cả nước.
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 này chiếm 26% diện tích bề mặt không phủ băng tuyết của trái đất và 33% diện tích đất trồng được dùng để sản xuất thức ăn chăn nuôi Sự mở rộng của ngành chăn nuôi dẫn đến mất rừng, làm tăng nguy cơ đất bị xói mòn trong mùa mưa và khô hạn trong mùa khô.
Trong quá trình chăn nuôi, 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 phát thải với số lượng đáng kể.
Chăn nuôi gia súc đóng góp 37% lượng khí CO2 và sản xuất chủ yếu khí CH4 từ các vi khuẩn phân hủy cellulose trong dạ dày thú nhai lại, gây ra hiện tượng ợ hơi Ngoài ra, ngành chăn nuôi còn tạo ra 65% khí NOx, có khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 296 lần CO2, và 2/3 tổng lượng phát thải NH3, nguyên nhân chính gây ra mưa axit, làm hư hại 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 không chỉ làm tăng nhu cầu sử dụng nước, chiếm khoảng 8% tổng lượng nước mà con người tiêu thụ, mà còn gây ô nhiễm môi trường do lượng nước thải chứa kháng sinh, hormone và hóa chất sát trùng, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.
Ngành chăn nuôi không chỉ gây ra sự suy giảm đa dạng sinh học mà còn làm giảm lượng nước bổ sung cho các mạch nước ngầm Điều này xảy ra do mất rừng và hiện tượng thoái hóa đất, khiến cho đất trở nên chai cứng và giảm khả năng thẩm thấu Tất cả những tác động tiêu cực này đều ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường (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 cơ cấu, số lượng và chất lượng đàn vật nuôi Đây là yếu tố khách quan tác động lớn đến sự phát triển của 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 lớn cho đàn vật nuôi.
Từ năm 2003, ngành chăn nuôi đã phải đối mặt với nhiều dịch bệnh nghiêm trọng, đặc biệt là dịch cúm gia cầm và dịch tai xanh ở lợn Dịch cúm gia cầm đã lây lan 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 cho công tác phòng chống cúm gia cầm, nhưng đến nay vẫn chưa kiểm soát được dịch bệnh này (Vũ Trọng Bình, Đào Đức Huấn, Nguyễn Mạnh Cường, 2014) Đối với dịch tai xanh, từ năm 2007, dịch bệnh đã xảy ra tại 38 tỉnh thành, với tình trạng dịch bệnh tái diễn hàng năm Mặc dù chưa có thống kê cụ thể về ngân sách nhà nước chi cho việc hỗ trợ, nhưng hậu quả của dịch bệnh rất rõ ràng Năm 2007, dịch tai xanh đã ảnh hưởng đến 13.355 hộ gia đình tại 14 tỉnh, dẫn đến việc tiêu hủy gần 30.000 con lợn Đến năm 2008, dịch bệnh lan rộng ra 28 tỉnh, 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 chăn nuôi đi kèm với tình hình dịch bệnh ngày càng gia tăng, lây lan nhanh chóng và khó kiểm soát, dẫn đến thiệt hại lớn cho ngành chăn nuôi Đây là những thách thức lớn mà chúng ta cần 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 tại 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 sử dụng sinh vật thủy sinh (cây muỗi nước, bèo lục bình) và xử lý bằng hồ sinh học, nhưng những phương pháp này 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 Mặc dù sản xuất chăn nuôi mang lại giá trị kinh tế cao từ trứng, thịt và sữa, nhưng cũng gây ra lượng chất thải lớn Viện Môi trường Nông nghiệp ước tính hàng năm, hoạt động chăn nuôi phát sinh trên 85 triệu tấn chất thải rắn và hàng trăm triệu tấn nước thải 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 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 hiện nay gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân khác nhau Tình trạng ô nhiễm môi trường tại một số cơ sở chăn nuôi lớn và khu vực dân cư vẫn chưa được giải quyết 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 những thành phần từ thức ăn và nước uống mà cơ thể không hấp thụ, chứa nhiều chất dinh dưỡng như Nitơ, Phốt pho, Kali, Kẽm và Đồng Các khoáng chất dư thừa như P2O5, K2O, CaO, MgO chủ yếu xuất hiện trong phân Lượng phân thải ra phụ thuộc vào loại gia súc, khẩu phần ăn và độ tuổi, vì mỗi giai đoạn phát triển 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 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm dinh dưỡng, tình trạng sức khỏe, phương pháp nuôi dưỡng, điều kiện chuồng trại, cũng như loại gia súc và 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 loại 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 của con người và vật nuôi Theo thống kê của Lê Trình về quan trắc và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước, có nhiều loại vi khuẩn gây bệnh có 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, vật liệu lót chuồng và các chất khác có thành phần đa dạng, bao gồm 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 từ nước thải của gia súc và vệ sinh chuồng trại, tạo thành nguồn ô nhiễm nặng Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào phương pháp vệ sinh chuồng trại, như việc hốt phân hay tắm rửa cho gia súc Dù không chứa các chất độc hại như nước thải công nghiệp, nước thải chăn nuôi lại chứa nhiều vi khuẩn và ký sinh trùng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người Thành phần nước thải chủ yếu là chất hữu cơ (70-80%) như cellulose và protein, cùng với chất vô cơ (20-30%) bao gồm cát, muối và amonium.
Mùi hôi trong chuồng nuôi xuất phát từ hỗn 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, vệ sinh, mật độ nuôi và các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm Thành phần khí trong chuồng cũng thay đổi theo giai đoạn phân hủy, 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, cùng với sự phân giải urê từ nước tiểu Thành phần khí thay đổi theo giai đoạn phân hủy chất thải hữu cơ, loại thức ăn, hệ thống vi sinh vật và sức khỏe của vật nuôi Các khí chính được sinh ra 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, và nhóm –NH2 của amin được tách ra để tạo 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 có tác hại nghiêm trọng đến đường hô hấp và phổi, đặc biệt gây tổn thương niêm mạc hô hấp Trong số đó, NH3 không chỉ gây tổn hại mà còn kích thích thị giác, dẫn đến giảm thị lực Bên cạnh đó, các khí gây ngạt như CO2 cũng là mối nguy hiểm đáng lưu ý.
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 các khí gây mê bao gồm các hợp chất hydrocacbon, chúng có tác động nhỏ hoặc không ảnh hưởng đến phổi Khi được hấp thu vào máu, những chất khí này hoạt động như dược phẩm gây mê hiệu quả.
Nhóm các chất khí khác bao gồm các nguyên tố và chất độc dễ bay hơi, có khả năng gây ra nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe Một ví dụ điển hình là khí phenol, khi hấp thụ vào cơ thể ở nồng độ cao, có thể gây ra những tác động độc hại nghiêm trọng.
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 trong ủ phân compost biến đổi các chất thải hữu cơ thành các 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 thiết yếu cho cây trồng, nhờ vào việc chuyển đổi các hợp chất hữu cơ thành hợp chất vô cơ dễ hấp thu Việc sử dụng phân compost không chỉ giúp giảm quá trình rửa trôi khoáng chất mà còn giữ nước, làm tơi xốp đất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của bộ rễ Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm compost có thể không ổn định và không đảm bảo đủ hàm lượng dinh dưỡng cần thiết, đồng thời không đảm bảo tỷ lệ vô hiệu hóa cần thiết đối với các vi sinh vật gây bệnh, như 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 gia tăng nhờ nhiệt lượng từ các phản ứng sinh học, và đạt đến mức tối ưu cho vi sinh vật ưa ấm, dao động từ 30 đến 40 độ C.
Giai đoạn thermophillic, hay còn gọi là giai đoạn nhiệt hoá, là thời điểm mà nhiệt độ trong mẻ ủ đạt mức cao nhất, tạo điều kiện lý tưởng cho hoạt động của các vi sinh vật chịu nhiệt Giai đoạn này không chỉ giúp cố định chất thải mà còn vô hiệu hoá các vi sinh vật gây bệnh, đảm bảo an toàn cho quá trình xử lý chất thải.
Giai đoạn thuần thục, hay còn gọi là 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, biến các chất hữu cơ thành mùn, trong khi quá trình nitrat hoá chuyển đổi NH3 và NH4 thành NO3 nhờ vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter Do quá trình này diễn ra chậm, cần có thời gian đủ dài để đảm bảo sản phẩm đạt 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, rồi sau đó trở lại trung tính khi các axit này chuyển hoá thành CH4 và CO2.
Mẻ ủ thuần thục có những dấu hiệu nhận biết rõ ràng như nhiệt độ tăng cao từ 50 đến 70 độ C và sau đó giảm dần cho đến khi đạt mức cân bằng với môi trường xung quanh Hàm lượng các hợp chất hữu cơ sẽ giảm, trong khi đó, nồng độ gốc NO3 gia tăng và không còn sự hiện diện của NH3 Hơn nữa, mẻ ủ sẽ không còn mùi hôi thu hút côn trùng và xuất hiện nhiều xạ khuẩn Actinomyces Bên cạnh đó, lịch sử phát triển của công nghệ biogas cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình ủ này.
Dân số thế giới gia tăng dẫn đến nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng cao, 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 Tìm kiếm và khai thác nguồn năng lượng mới là ưu tiên trong kế hoạch phát triển năng lượng, trong đó biogas nổi lên như một giải pháp quan trọng Biogas không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn hỗ trợ chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông thôn và bảo vệ môi trường sống.
Biogas hiện nay là một nguồn năng lượng quan trọng trên toàn cầu, chiếm từ 9% đến 10% tổng năng lượng thế giới Nếu khai thác triệt để nguồn phế thải toàn cầu, có thể sản xuất lên đến 200 tỷ m³ khí sinh học mỗi 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 ứng dụng khí sinh học, đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này.
Trung Quốc đã có lịch sử phát triển khí sinh học từ cuối thế kỷ XIX, với 7,5 triệu bể được xây dựng vào năm 1978, sản xuất khoảng 2,5 tỷ m³ khí mỗi năm 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, số bể đã tăng lên 70 triệu và hơn 9,7 triệu hầm cho hộ gia đình vào cuối năm 2003, với hơn 90% hoạt động hiệu quả, sản xuất khoảng 2.980.000 m³ mỗi năm Biogas chủ yếu được sử dụng cho đun nấu, thắp sáng và phát điện Từ 2006 đến 2011, chính phủ đã đầu tư 21,2 tỷ Nhân dân tệ để phát triển khí sinh học tại nông thôn, giúp 40 triệu hộ gia đình, chiếm 1/3 dân số nông thôn, tiếp cận nguồn năng lượng này Tại các vùng nghèo, biogas và năng lượng Mặt Trời được coi là nguồn năng lượng thân thiện và hiệu quả 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
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 hàng loạt bể KSH Số lượng bể KSH đã tăng từ khoảng 2000 vào năm 1991-1992 lên con số 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, vì vậy nguồn phân và nước tiểu chủ yếu đến từ người và trâu bò Việc sử dụng bể KSH đã cải thiện rõ rệt môi trường nông thôn, giúp chuồng trâu bò sạch sẽ, không còn ruồi muỗi và mùi hôi thối Nguồn phân và nước tiểu được chuyển hóa thành phân hữu cơ chất lượng cao, an toàn, không có mùi hôi và dễ hấp thu cho cây trồng, đồng thời cải thiện chất đất Đặc biệt, nếu chăn nuôi đủ số lượng trâu bò, sẽ có đủ lượng KSH để cung cấp điện cho các thiết bị như đèn, TV và 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 đến 1990 Trong giai đoạn này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, tập trung vào công nghệ biogas, với sự tham gia của các đơn vị như Viện Năng Lượng, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP.HCM, 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, nhờ 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 và kỹ thuật lắp đặt, vận hành đơn giản, đã nhanh chóng được Hội Làm vườn Việt Nam cùng 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, do 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, tương đương với chỉ 0,3% trang trại có hầm biogas Về công nghệ, hầu hết các hầm ủ nhỏ là hầm vòm cố định được xây bằng gạch hoặc đúc sẵn bằng composite Đáng chú ý, hiện 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 được tạo 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 sản phẩm chính là khí metan Khí metan chiếm từ 40-70% trong thành phần của biogas và có thể được sử dụng làm nhiên liệu để sinh nhiệt.
(35 - 40%) và các khí khác với hàm lượng thấp như H 2 S, H 2 , O 2, N 2
Khí CH4 từ biogas là một nguồn năng lượng quý giá, có khả năng cải thiện đời sống con người và giải quyết vấn đề môi trường, đặc biệt trong ngành chăn nuôi Công nghệ biogas không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn hỗ trợ 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 các sản phẩm từ biogas đã được sử dụng rộng rãi, đem lại những kết quả tích cực về kinh tế, xã hội và môi trường.
Biogas là một hỗn hợp khí nhẹ hơn không khí, có nhiệt độ bốc lửa khoảng 700°C Khi so sánh, dầu DO có nhiệt độ bốc lửa khoảng 350°C, trong khi xăng gas và propane chỉ khoảng 50°C Nhiệt độ ngọn lửa khi sử dụng biogas đạt khoảng 870°C.
Biogas có thành phần chính gồm 50-70% metan (CH4), 35-50% carbon dioxide (CO2), cùng với hàm lượng hơi nước từ 30-160 g/m3 và hydro sulfide (H2S) khoảng 4-6 g/m3 Năng lượng của biogas đạt khoảng 5,96 kWh/m3, với tỷ trọng là 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 đạt khoảng 40 cm/s.
Quá trình phân hủy kéo dài 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, 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 làm tăng hàm lượng CH4, nhưng lại giảm lưu lượng biogas sinh ra Hàm lượng CH4 sinh ra từ từng loại chất thải điển hình cũng có sự khác biệt rõ rệt.
- 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 nhanh chóng hơn, nhưng độ chính xác không bằng phương pháp đo theo (Nm³) CH₄.
Giá trị năng lượng của 1 m³ biogas chứa 62% CH₄ đạt khoảng 22MJ, tương ứng với khoảng 6kWh điện Hệ số tỷ lượng cháy cho thấy nhu cầu không khí trong quá trình cháy là khoảng 9,6 m³ không khí cho mỗi m³ CH₄, tức là khoảng 5,75 m³ không khí cho mỗi 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 một khí ướt, chứa hơi nước bão hòa từ dung dịch phân giải, và cần loại bỏ hơi nước ngưng tụ trong đường ống Thành phần KSH thay đổi, với tỉ lệ phổ biến là 60% metan và 40% cacbonic, có khối lượng riêng 1,2196 kg/m³ và 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 giá trị 5.146 Kcal/m³ khi metan chiếm 60%.
Giải quyết vấn đề chất đốt và mang lại lợi ích xã hội
Phát triển khí sinh học là bước tiến quan trọng trong việc giải quyết vấn đề thiếu chất đốt ở nông thôn, một mối quan tâm lớn của cộng đồng Việc sử dụng biogas, nguồn nhiên liệu thay thế từ các nguồn sinh vật tự nhiên, đã tạo ra sự thay đổi đáng kể trong lịch sử chất đốt nông thôn, thay thế các nhiên liệu rắn như than và củi Sáng chế này không chỉ giải quyết nhu cầu năng lượng cho nông dân mà còn giúp tiết kiệm nhiên liệu cho quốc gia, đồng thời thúc đẩy sản xuất công – nông nghiệp và tạo sự 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, ngoài việc làm chất đốt, còn có thể dùng làm thức ăn cho gia súc, giúp chuyển đổi lao động từ việc kiếm củi sang sản xuất nông nghiệp Giảm nhu cầu củi trong nấu nướng góp phần bảo vệ rừng và tăng diện tích rừng Tiết kiệm chi phí mua than và nhiên liệu rắn giúp giảm gánh nặng tài chính cho nông dân, đồng thời giảm chi phí vận chuyển than mà nhà nước cấp cho nông thôn Phụ nữ nông thôn cũng được giải phóng khỏi công việc vặt, có nhiều thời gian hơn cho sản xuất nông nghiệp nhờ sử dụng gas, vì gas sinh ra nhiệt năng cao hơn củi Sử dụng biogas hiệu quả còn giúp tiết kiệm điện năng và chi phí, khi khí biogas có thể dùng để chạy đèn thắp sáng và máy phát điện.
Kích thích sản xuất nông nghiệp
Phát triển biogas là một giải pháp quan trọng để thúc đẩy sản xuất nông nghiệp, tăng cường số lượng và chất lượng phân hữu cơ từ phân người, phân súc vật, rơm rạ và chất thải thực vật Rơm sau thu hoạch có thể được ủ trực tiếp ngoài đồng hoặc trong hầm biogas, vừa tạo ra khí gas sử dụng vừa cung cấp phân bón cho đồng ruộng Nghiên cứu cho thấy, phân hữu cơ được ủ trong hầm biogas trong 30 ngày có thành phần amoniac tăng 19.3% và photphat hữu ích tăng 31.8%, đồng thời ngăn ngừa sự bốc hơi và mất mát amoniac.
Phân ủ trong hầm biogas đã được chứng minh là làm tăng năng suất nông nghiệp, với mức tăng cụ thể là 28% cho ngô, 10% cho lúa, 12.5% cho lúa mì và 24.7% cho bông Ngoài ra, việc sử dụng nước thải từ biogas để ngâm hạt giống cũng giúp tăng tỷ lệ nảy mầm rõ rệt so với hạt giống không được ngâm.
Các loại vật liệu như thân cây, cỏ dại, lá cây và chất thải là nguồn nguyên liệu quý giá cho hầm biogas, giúp nông dân tích trữ và tăng cường phân bón cho cây trồng Chất hữu cơ từ phân động vật và cây xanh sau khi phân hủy không chỉ sản xuất biogas mà còn tạo ra phân hữu cơ giàu dinh dưỡng, với các nguyên tố N, P, K dễ hấp thụ cho cây Sử dụng bã thải, cả phần đặc và lỏng, làm phân bón giúp tăng năng suất cây trồng, đồng thời cải thiện sức khỏe cây và giảm sâu bệnh Sau hai đến ba năm bón phân này, tác dụng cải tạo đất sẽ rõ rệt Ngoài ra, quá trình phân hủy kị khí cũng cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi, với một phần chất hữu cơ chuyển hóa thành axit amin mới, như với phân trâu bò, đã tăng 230% axit amin sau phân hủy Để tận dụng nguồn này cho gia súc, gia cầm, bã thải thường được sấy khô và đóng thành bánh.
Nuôi thủy sản bằng cách sử dụng bã thải làm thức ăn không chỉ cung cấp chất dinh dưỡng mà còn kích thích sự phát triển của thực vật và động vật phù du, từ đó tăng cường nguồn thức ăn cho cá Nhờ vậy, sản lượng nuôi trồng thủy sản đã 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 cải thiện vệ sinh môi trường và sức khỏe ở nông thôn, đồng thời giải quyết vấn đề phân bón Việc thu gom chất thải từ gia súc và con người vào hầm biogas giúp tiêu diệt các loại kí sinh trùng, sán và giun Nghiên cứu từ Viện kí sinh trùng cho thấy, sau quá trình ủ lên men, bã thải chỉ còn rất ít trứng kí sinh trùng, với sự giảm tới 95% số lượng giun sán và 99% trứng sán, giun, mang lại lợi ích lớn cho sức khỏe cộng đồng.
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 tài trợ bởi Quỹ Môi trường Toàn cầu (GEF) thông 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 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 60, với nhiều thành 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, dẫn đến việc nhiều người vẫn sử dụng phương pháp ủ yếm khí truyền thống Nhờ 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, 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 đã hoàn thiện và đi vào hoạt động, góp phần cải thiện môi trường cho thôn.
Tại Tử Dương, ba hệ thống cung cấp gas cho sinh hoạt hộ gia đình đã hiệu quả trong việc xử lý mùi hôi từ chất thải chăn nuôi, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực.
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 xử lý 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 khoáng chất như NH3, C2O5, N2, K2O Giai đoạn này giúp giảm hàm lượng BOD, COD xuống 80-90% và chuyển đổi 85-90% chất hữu cơ thành các chất vô cơ dễ tiêu, có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng Bên cạnh đó, quá trình này còn sản xuất khí biogas để phục vụ nhu cầu đun nấu và thắp sáng.
Giai đoạn xử lý hiếu khí là bước tiếp theo sau khi chất thải dư thừa chưa được xử lý triệt để ở giai đoạn yếm khí được đưa ra ngoài ao, hồ Tại đây, chất thải được xử lý 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, tưới tiêu cho cây trồng và nhiều mục đích khác.
Sau thời gian thử nghiệm, ba hệ thống hầm biogas đã hoạt động ổn định Vào ngày 26/5/2009, Ban quản lý Dự án LWMEA đã bàn giao các hệ thống này cho thôn Tử Dương, xã Tô Hiệu, huyện Thường Tín Việc bàn giao này không chỉ giúp địa phương sử dụng và quản lý hiệu quả mà còn nâng cao trách nhiệm của họ trong việc 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, cụ thể là xây dựng 01 mô hình ở Thanh Oai, 04 mô hình ở huyện Vĩnh Cửu, Đồng Nai, và một số mô hình khác ở Sơn Tây, Hà Nội, nhằm hoàn thiện và phổ biến công nghệ này đến người dân trên toàn quốc.