LỢI ÍCH KINH TẾ CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI

Kinh tế học môi trường là một chuyên ngành của kinh tế học ứng dụng đề cập đến những vấn đề môi trường (thường còn được sử dụng bởi các thuật ngữ khác). Khi sử dụng các phương pháp chuẩn tắc của kinh tế học tân cổ điển, nó được phân biệt với kinh tế xanh hay kinh tế sinh thái trong đó bao gồm cả các cách tiếp cận không chuẩn tắc cho những vấn đề môi trường, khoa học môi trường, nghiên cứu môi trường, hoặc sinh thái. Theo chương trình Kinh tế học Môi trường của Cơ quan Quốc gia về Nghiên cứu Kinh tế (NBER)

Tổng quan chất thải chăn nuôi

Nguồn gốc phát sinh

Chất thải chăn nuôi bao gồm phân và nước tiểu, phát sinh từ các hoạt động chăm sóc vật nuôi như cho ăn, tắm rửa và vệ sinh chuồng trại.

Thành phần và tính chất

Chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi bao gồm 3 loại chính: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí

Chất thải rắn bao gồm nhiều thành phần như thức ăn thừa, xác chết của súc vật, phân và chất độn chuồng Tỷ lệ các chất hữu cơ, vô cơ và vi sinh vật trong chất thải này phụ thuộc vào loại thức ăn, giống, loại gia súc, cũng như phương pháp nuôi dưỡng và dọn vệ sinh Khối lượng chất thải rắn hàng ngày từ một số vật nuôi được thể hiện rõ trong bảng 1.1.

Bảng 1.1 Khối lượng chất thải hàng ngày của một số vật nuôi [18]

Loại gia súc Phân nguyên (kg/con/ngđ) Nước tiểu (kg/con/ngđ)

Chất thải chăn nuôi có độ ẩm cao từ 56-83% và chứa tỷ lệ N/P/K đáng kể, với các thành phần bao gồm nước (56-83%), chất hữu cơ (1-26%), N (0,32-1,6%), P (0,25-1,4%) và K (0,15-0,95%) Ngoài ra, chất thải này còn chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ và một lượng lớn vi sinh vật, ký sinh trùng có thể gây bệnh cho người và động vật.

Giun sân là tác nhân gây bệnh cho cả con người và vật nuôi, với các vi khuẩn phổ biến thuộc họ Enterobacteriaceae như Escherichia, Salmonella, Shigella và Proteus Trong 1 kg phân, có thể tìm thấy từ 2000 đến 5000 trứng giun sán, bao gồm các loài như Ascaris suum, Oesophagostomum và Trichocephalus.

Bảng1.2 Mật độ một số vi sinh vật trong chất thải rắn của vật nuôi [19]

Chỉ tiêu Đơn vị Lợn Bò Gà

Salmonella Vk/25ml 10-10 4 10-10 4 10-10 4 Đơn bào MNP/10g 0-10 3 0-10 3 0-10 3

1.2.2 Nước thải: Nước thải phát sinh trong hoạt động chăn nuôi xuất phát từ quá trình tắm rửa cho gia súc, vệ sinh chuồng trại, nước tiểu của gia súc Nước thải chăn nuôi thường bao gồm có phân và từ các quá trình nêu trên Nước thải loại này có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do chứa hàm lượng các chất ô nhiễm lớn

Nước thải chăn nuôi có thành phần biến động lớn, phụ thuộc vào quy mô chăn nuôi, phương pháp vệ sinh và loại chuồng trại Tổng thể, nước thải này chứa khoảng 75-95% là nước, phần còn lại bao gồm các chất hữu cơ, vô cơ và mầm bệnh.

Bảng 1.3 Tải lượng chất ô nhiễm trong nước thải của một số vật nuôi [12]

Thể tích chất thải m 3 /đơn vị

Trâu/bò thịt Con/năm 8,4 164 1204 43,8 11,3

Trâu/bò sữa Con/năm 15,6 228,5 1533 82,1 12,0

Gà lấy trứng Kg trọng lượng/năm

Chất thải chăn nuôi được hình thành từ quá trình phân hủy hiếu khí hoặc kỵ khí các hợp chất hữu cơ trong thức ăn dư thừa, phân và nước tiểu của vật nuôi Sự hình thành chất thải này phụ thuộc vào giai đoạn phát triển, loại thức ăn, tình trạng sức khỏe của vật nuôi và điều kiện thời tiết Quá trình phân hủy tạo ra nhiều hợp chất khí, trong đó có hơn 40 loại khí gây mùi, chủ yếu là H2S và NH3.

Tác động của chất thải chăn nuôi lên môi trường và sức khỏe con người

1.3.1 Tác động lên môi trường nước mặt và nước ngầm

Chất thải chăn nuôi chứa nhiều hợp chất hữu cơ và có hàm lượng N, P cao, dẫn đến ô nhiễm môi trường nước khi thải ra Nghiên cứu cho thấy nồng độ COD trung bình trong nước tại các lưu vực tiếp nhận nước thải chăn nuôi lên tới 878,9 mg/l, đạm amon 70,4 mg/l, và tổng coliform đạt 2,78.10^5 MPN/100 ml, đều vượt tiêu chuẩn 10 TCN 678-2006 Các lưu vực lân cận cũng ghi nhận chỉ tiêu ô nhiễm cao và vượt mức cho phép Hơn nữa, chất thải chăn nuôi còn thấm xuống đất, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm.

1.3.2 Tác động đên môi trường đất [4]

Nước thải chăn nuôi có chứa nhiều chất ô nhiễm, khi xả ra môi trường đất sẽ gây ra tình trạng thoái hóa đất nghiêm trọng Bên cạnh đó, mật độ vi sinh vật trong đất cũng bị ảnh hưởng, dẫn đến sự suy giảm chất lượng môi trường.

4 sinh vật trong nước thải lớn và chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh nên sẽ lây lan dịch bệnh cho vật nuôi và con người

Mặt khác, lượng natrat và photphat dư thừa sẽ theo nước mặt làm ô nhiễm các mực thủy cấp

1.3.3 Tác động lên môi trường không khí [4]

Trong quá trình chăn nuôi gia súc, nhiều loại khí được sinh ra từ chuồng trại và bãi chứa chất thải, chủ yếu do sự phân hủy hiếu khí và kị khí của phân và nước tiểu, cùng với quá trình hô hấp của động vật Điều này dẫn đến ô nhiễm không khí, đặc biệt là khi chăn nuôi được thực hiện ở quy mô lớn hơn, mức độ ô nhiễm cũng tăng theo Nồng độ các chất ô nhiễm không khí tại các quy mô chăn nuôi khác nhau cho thấy sự gia tăng đáng kể về ô nhiễm môi trường.

Bảng 1.4 Nồng độ các chất ô nhiễm không khí tại chuồng nuôi [13]

Thông số Nông hộ Gia trại Trang trại

Tổng quan các biện pháp xử lý chất thải trong chăn nuôi

1.4.1 Xử lý Chất thải rắn [6][12]

Sử dụng phân tươi cho cây trồng và nuôi cá đang trở thành phương pháp ít phổ biến do hiệu quả kinh tế không cao, gây ô nhiễm môi trường và tiềm ẩn nguy cơ lây lan dịch bệnh.

Ủ phân theo phương pháp truyền thống là cách làm đã được người dân sử dụng từ lâu, trong đó chất thải được kết hợp với các chất độn như rơm rạ, trấu, vôi và phân lân Quá trình ủ có thể thực hiện bằng cách đầm nén và che kín hoặc ủ hở ngoài trời, với thời gian ủ kéo dài từ 2 đến 6 tháng Chất lượng phân sẽ phụ thuộc vào từng phương pháp ủ được áp dụng.

Có năm phương pháp khác nhau để lựa chọn, tùy thuộc vào nhu cầu của người dân Sản phẩm thu được từ quá trình ủ là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, giúp cây trồng hấp thụ tốt hơn và tiêu diệt mầm bệnh Mặc dù phương pháp này dễ thực hiện và có chi phí thấp, nhưng nó yêu cầu thời gian và diện tích đất lớn.

Ủ phân compost là quá trình phân hủy sinh học hiếu khí các chất thải hữu cơ, tạo ra sản phẩm giống như mùn gọi là compost Phương pháp này giúp các hộ chăn nuôi tận dụng nguồn phân hữu cơ để bón cho cây trồng, từ đó tiết kiệm chi phí phân bón Tuy nhiên, nhiều hộ chăn nuôi chưa thực hiện hiệu quả do thiếu kiến thức về quy trình ủ phân, dẫn đến chất lượng phân kém và vẫn còn mùi hôi.

Nuôi trùn quế không chỉ sử dụng chất thải làm thức ăn cho trùn mà còn tạo ra phân chất lượng cao hơn so với các loại phân khác, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao Bên cạnh đó, việc nuôi trùn còn cung cấp sinh khối để làm thức ăn cho cá, tạo ra lợi ích kép cho người nuôi.

1.4.2 Xử lý chất thải lỏng

Có thể áp dụng các biện pháp cơ học như song chắn rác và bể lắng để tách các cặn lắng, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình xử lý tiếp theo.

Biện pháp lý hóa như keo tụ và tuyển nổi có thể được áp dụng để xử lý cặn lơ lửng, giúp giảm tải trọng cho các công trình xử lý tiếp theo Theo nghiên cứu của Nguyễn Thanh Cảnh (2002), việc kết hợp phương pháp cơ học với keo tụ có khả năng giảm đến 80-90% lượng cặn lơ lửng Tuy nhiên, do chi phí cao, phương pháp này thường được xem là không hiệu quả.

Chất thải chăn nuôi chứa hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao nên thích hợp cho các biện pháp xử lý sinh học

Các biện pháp sinh học:

Xử lý nước thải dựa vào tự nhiên bao gồm các phương pháp như cánh đồng lọc, cánh đồng tưới và sử dụng cây thủy sinh Những phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm chi phí, tuy nhiên, chúng yêu cầu diện tích lớn để triển khai.

Hệ thống xử lý chất thải thích hợp cho quy mô nhỏ có thể hiệu quả trong việc giảm ô nhiễm từ chất thải của 10 con gia súc Cụ thể, với bể có kích thước 6m x 6m x 0,5m và thời gian lưu nước thải 30 ngày, lượng phosphor giảm từ 57-58%, nitrogen giảm 44%, và BOD5 giảm từ 80-90% Nhờ đó, nước thải có thể thải ra ao hồ mà không cần xử lý thêm.

Xử lý hiếu khí là phương pháp hiệu quả thường được áp dụng cho các trại chăn nuôi lớn, tuy nhiên, do chất thải chăn nuôi có hàm lượng ô nhiễm cao, cần kết hợp thêm các biện pháp xử lý khác trước khi thải ra môi trường Một số nhược điểm của phương pháp này bao gồm chi phí xây dựng và vận hành cao, đặc biệt đối với các hệ thống như bể aerotank và bể lọc sinh học, cũng như yêu cầu diện tích lớn cho các loại như ao hồ sinh học và mương oxy hóa.

Xử lý kỵ khí mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng chịu tải trọng cao hơn so với quá trình hiếu khí, chi phí thấp, khả năng thu hồi năng lượng và tính phù hợp với nước thải có nồng độ ô nhiễm cao.

Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí tiếp xúc,…

Hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng nitơ và photpho trong nước thải hiện nay còn rất hạn chế Bên cạnh đó, nước thải sau quá trình xử lý vẫn có nồng độ ô nhiễm cao, vì vậy xử lý kỵ khí chỉ đóng vai trò là bước tiền xử lý cho các phương pháp xử lý tiếp theo.

Chất thải chăn nuôi chứa hàm lượng ô nhiễm cao, vì vậy việc xử lý chúng là rất cần thiết Mỗi phương pháp xử lý có khả năng khác nhau, do đó cần lựa chọn và kết hợp các phương pháp này để đảm bảo chất thải được xử lý hiệu quả trước khi thải ra môi trường.

Công nghệ khí sinh học

Khí sinh học là gì

Cơ thể và chất thải của động vật và thực vật chứa các chất hữu cơ, thường bị phân hủy bởi vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn Quá trình phân hủy này diễn ra trong môi trường yếm khí, tạo ra khí sinh học với thành phần chính là khí cacbonic và khí metan.

Khí sinh học hình thành tự nhiên tại các khu vực nước sâu và tù đọng, như đầm lầy, đáy ao hồ, giếng sâu, ruộng ngập nước, bãi rác, và trong hệ tiêu hóa của động vật.

Khí sinh học còn sinh ra ở các mỏ than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên do các quá trình biến đổi địa hóa xảy ra hàng triệu năm

Khí sinh học được sản xuất trong điều kiện nhân tạo thông qua các thiết bị khí sinh học, nhờ vào quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ.

Thành phần và tính chất khí sinh học

Khí sinh học là hỗn hợp khí tự nhiên, chủ yếu bao gồm metan (50-70%), cacbonic (30-45%), nitơ (0-3%), hydro (0-3%) và hydro sulfua (0-3%) Thành phần của khí sinh học có thể thay đổi tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào như phân trâu, bò, gà vịt hoặc các nguyên liệu thực vật Ngoài ra, các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ và quá trình phân giải cũng ảnh hưởng đến thành phần khí sinh học.

Khí metan là một loại khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí gấp đôi, ít hòa tan trong nước và có thể hóa lỏng ở nhiệt độ -161,5 độ C trong điều kiện khí quyển Khi cháy, khí metan tạo ra ngọn lửa màu xanh lơ và tỏa nhiệt.

Nhiệt trị của metan cao (gần 9.000 kcal/m 3 ) Với hỗn hợp khí sinh học có khoảng 60% khí mê tan thì nhiệt trị khoảng 4500–6300 kcal/m 3 [16]

Sự cháy của khí sinh học do hàm lượng khí metan quyết định [23] [24.]

Cơ sở lý thuyết của quá trình hình thành khí sinh học

Quá trình hình thành khí sinh học diễn ra khi vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường không có oxy Các sinh vật thuộc nhiều nhóm khác nhau tham gia vào quá trình này, trải qua nhiều giai đoạn để sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng, bao gồm metan và cacbonic.

Quá trình phân giải kỵ khí các chất thải sinh học được trình bày ở sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình phân giải kỵ khí các chất thải sinh học [4]

Trong giai đoạn 1 của quá trình phân hủy yếm khí, các polymer hữu cơ bị bẻ gãy bởi enzyme ngoại bào từ vi sinh vật, tạo ra các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn Cụ thể, protein chuyển hóa thành acid amin, carbon hydrat thành đường đơn, và chất béo thành acid hữu cơ mạch dài cùng glyxerin Tuy nhiên, phản ứng thủy phân cellulose và lignin gặp khó khăn trong việc phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản, điều này tạo ra một giới hạn cho quá trình này Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ, trong đó nhiệt độ dưới 20°C làm giảm tốc độ thủy phân đáng kể.

 Giai đoạn 2 (giai đoạn axit hóa): sản phẩm từ quá trình thủy phân sẽ được các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành axit acetic, H2 và CO2

Trong giai đoạn 3, hay còn gọi là giai đoạn acetate hóa, sản phẩm từ giai đoạn 2 sẽ tiếp tục được chuyển hóa thành nguyên liệu cho quá trình metan hóa Sản phẩm chính của giai đoạn này là axit acetic, bên cạnh đó còn có một phần sản phẩm là CO2 và H2.

Chất thải sinh học protein lipid Đường Axit amin glycerol

Giai đoạn 4, hay còn gọi là giai đoạn metan hóa, là giai đoạn chậm nhất trong quá trình xử lý kỵ khí, trong đó khí metan được hình thành từ phản ứng giữa axit acetic và khí CO2 với H2 Quá trình này được thực hiện bởi các loại vi khuẩn acetotrophic và hydrogennotrophic Trong giai đoạn này, vi sinh vật tạo metan từ hydro và carbon có tốc độ phát triển nhanh hơn, đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất khí metan.

Các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí sinh học

Khí sinh học được hình thành nhờ hoạt động của nhiều vi sinh vật, trong đó vi khuẩn sinh metan đóng vai trò quan trọng nhất Những vi khuẩn này chỉ tồn tại trong môi trường hoàn toàn không có oxy (kỵ khí bắt buộc), do đó, việc duy trì một môi trường phân giải hoàn toàn kỵ khí là yếu tố tiên quyết.

Vi khuẩn sinh metan phát triển mạnh mẽ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của chúng là rất quan trọng.

Nhiệt độ thấp hoặc sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ có thể làm giảm quá trình sinh metan, đặc biệt khi nhiệt độ môi trường xuống dưới 10°C, khiến quá trình phân giải gần như ngừng lại Do đó, ở những vùng lạnh, việc đảm bảo cách nhiệt tốt là rất quan trọng để giữ ấm cho thiết bị Xây dựng công trình ngầm dưới đất là một biện pháp hiệu quả để duy trì nhiệt độ ổn định cho môi trường phân giải.

2.4.3 Độ pH [16] [18] Độ pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn là 6,8 - 7,5 tương ứng với môi trường hơi kiềm Tuy nhiên, vi khuẩn sinh metan vẫn có thể hoạt động được trong giới hạn độ pH từ 6,5 - 8,5

Thời gian lưu là khoảng thời gian mà nguyên liệu được giữ trong thiết bị phân giải, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất khí sinh học Thời gian này rất quan trọng đối với nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là thực phẩm.

10 vật thì thời gian lưu 100 ngày còn đối với chất thải động vật thì thời gian lưu được đưa ra như sau:

Bả ng 2.1 Thời gian lưu nước thải của chất thải động vật [16]

Vùng Nhiệt độ trung bình về mùa đông ( 0 C) Thời gian lưu (ngày)

Hoạt động của vi khuẩn bị ảnh hưởng bởi các độc tố, và khi nồng độ của chúng trong dịch phân giải vượt quá ngưỡng cho phép, vi khuẩn sẽ bị tiêu diệt Do đó, cần kiểm soát sự hiện diện của các chất độc này trong dịch phân giải để bảo vệ sự sống của vi khuẩn.

Các chất có thể gây hại cho vi sinh vật như các kim loại nặng, hợp chất clo, hydro sunfua và trong một số trường hợp là ammoniac [3]

Các loại hóa chất như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc sát trùng, kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn và các chất tẩy rửa không được phép sử dụng trong các thiết bị khí sinh học.

2.4.6 Đặc tính của nguyên liệu [16] [18]

Quá trình phân giải khí metan diễn ra hiệu quả nhất khi nguyên liệu có hàm lượng chất khô tối ưu, khoảng 7-9% cho chất thải động vật Đối với bèo tây, hàm lượng chất khô lý tưởng là 4-5%, trong khi rơm rạ nằm trong khoảng 5-8% Thông thường, nguyên liệu ban đầu có hàm lượng chất khô cao hơn mức tối ưu, vì vậy người ta thường pha thêm nước khi nạp nguyên liệu vào thiết bị khí sinh học.

 Tỷ lệ cacbon và nitơ của nguyên liệu:

Các chất hữu cơ có cấu tạo từ các nguyên tố C, H, N, P, S

Tỷ lệ C/N là chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân giải của một loa ̣i chất hữu cơ

Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon/nitơ gấp 30 lần Vì vâ ̣y khi tỷ lệ này quá cao thì

Quá trình phân hủy diễn ra chậm nếu tỷ lệ thấp, dẫn đến sự ngừng trệ trong phân giải do tích lũy ammoniac, cản trở hoạt động của vi sinh vật phân giải kỵ khí.

2.5 Đặc tính và sản lượng khí sinh học của một số nguyên liệu thường gặp

Bảng 2.2 Điều kiện tối ưu cho quá trình sinh khí [16]

STT Yếu tố ảnh hưởng Giá trị tối ưu

3 Thời gian lưu đối với chất thải động vật (ngày) 30-60

4 Thời gian lưu đối với chất thải thực vật (ngày) 100

5 Hàm lượng chất khô (%) chất thải động vật 7-9

6 Hàm lượng chất khô (%) chất thải thực vật 4-8

Bảng 2.3 Đặc tính và sản lượng khí sinh học của một số nguyên liệu thường gặp

Các loại công trình khí sinh học

2.6.1 Cấu tạo chung của hầm biogas

Công trình khí sinh học là bể kín được thiết kế để chứa chất thải hữu cơ từ chăn nuôi hoặc các hoạt động khác, qua đó thực hiện quá trình lên men yếm khí để sản xuất khí sinh học Hầm khí sinh có nhiều kiểu khác nhau, nhưng nhìn chung bao gồm 5 bộ phận chính.

Bể phân hủy là thành phần quan trọng nhất của hầm khí sinh học, nơi chứa dịch phân hủy và diễn ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ, tạo ra khí sinh học.

- Bộ tích khí sinh học: là nơi chứa khí sinh học

- Đầu vào: là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào bể phân hủy

- Đầu ra: là nơi các phụ phẩm khí sinh học bao gồm nước thải và bùn thải

- Đầu lấy khí: là bộ phận dẫn khí từ bộ phận tích khí đến thiết bị sử dụng khí

2.6.2 Các dạng hầm khí sinh học

Theo hình thức nạp nguyên liệu đầu vào, người ta chia hầm khí sinh học thành

Hầm khí sinh học nạp nguyên liệu theo mẻ là loại hầm đơn giản và tiết kiệm chi phí nhất Hệ thống này chỉ bao gồm một bể phân hủy kín, ngăn không cho không khí lọt vào Sau khi bể được nạp đầy nguyên liệu, nó sẽ được gắn kín để bắt đầu quá trình phân hủy.

Thời gian lên men có thể kéo dài từ 30 đến 180 ngày, tùy thuộc vào loại chất phân hủy Trong quá trình này, các chất hữu cơ sẽ phân hủy dần và tích lũy khí Tuy nhiên, sau một thời gian, sản lượng khí sẽ giảm dần do các chất hữu cơ mất khả năng sinh khí.

 Hầm khí sinh học có hình thức nạp nguyên liệu liên tục

Hình thức nạp nguyên liệu này diễn ra sau khi công trình đã hoàn thành và bắt đầu đi vào hoạt động, với việc nạp một lượng nguyên liệu lớn khoảng 330.

Nguyên liệu có mật độ 500 kg/m³ được bổ sung hàng ngày, phù hợp với các loại nguyên liệu không có sẵn một lần mà cần thu gom thường xuyên, chẳng hạn như chất thải chăn nuôi.

 Hầm khí sinh học có hình thức nạp bán liên tục:

Cách nạp nguyên liệu này giống như hình thức nạp liên tục, nhưng điểm khác biệt là sau khi thực hiện nạp lần đầu tiên, bạn sẽ phải chờ từ 15 đến 20 ngày mới tiến hành bổ sung nguyên liệu tiếp theo.

Người ta chia hầm khí sinh học thành 4 loại: hầm kiểu vòm cố định, hầm có nắp đậy di động, hầm kiểu túi và hiện nay có hầm composite [15] [16]

 Hầm sinh khí kiểu cố định:

Cửa khí ra Nắp di động

Hình 2.2 Sơ đồ hầm sinh khí loại một lần

Hầm được xây dựng bằng gạch, đá hoặc bê tông với thiết kế đỉnh và đáy hình bán cầu cùng tường thẳng, đảm bảo kín khí và kín nước Nguyên liệu được nạp vào theo phương pháp bán liên tục, trong khi khí sinh ra được tích tụ ở phần vòm trên Thời gian ủ hầm khoảng 60 ngày ở nhiệt độ 25°C, với giá thành xây dựng tương đối rẻ Tuy nhiên, công trình có nguy cơ nứt nẻ sau một thời gian sử dụng nếu không tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật.

Hình 2.3 Hầm sinh khí kiểu vòm cố đi ̣nh

 Hầm sinh khí có nắp đậy di động:

Hình 2.4 Hầm sinh khí có nắp đâ ̣y di đô ̣ng

Loại bể này có hình trụ với tỷ lệ chiều cao và đường kính từ 2,5 đến 4:1, được xây dựng từ gạch và bê tông lưới thép, với nguyên liệu cung cấp liên tục Thời gian lưu trữ là khoảng 30 ngày ở vùng khí hậu ấm và 50 ngày ở vùng khí hậu lạnh Bể có ưu điểm chịu áp lực tốt và áp suất ổn định, nhưng nắp bể thường được làm bằng thép có độ bền trung bình, giá thành cao và gặp khó khăn trong việc chống ăn mòn do thiết kế nắp di động.

Hầm ủ đơn giản được cấu tạo từ ống trụ bằng chất dẻo tổng hợp hoặc túi chất dẻo mềm, bao gồm ống nạp nguyên liệu, ống tháo bã và ống lấy khí Thời gian ủ nguyên liệu thay đổi tùy thuộc vào loại nguyên liệu và nhiệt độ môi trường, cụ thể là 60 ngày ở nhiệt độ 15-20°C và 30 ngày ở nhiệt độ 30-35°C Ưu điểm chính của loại hầm này là dễ lắp đặt, vận hành đơn giản và chi phí thấp Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là dễ hư hỏng và hiệu suất kém vào mùa đông do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.

Hình 2.5 Hầm sinh khí dạng túi

Bể composite, được sản xuất tại Việt Nam từ năm 2006, nổi bật với độ bền cao và khả năng chịu áp lực lớn nhờ vào vật liệu composite Thiết kế của bể không có ống nạp và ống xả, mà kết nối trực tiếp với bể phân giải thông qua bể nạp và bể điều áp, với độ dày thành tương tự như bể phân giải Bể composite bao gồm bốn bộ phận tách rời, được kết nối bằng keo đặc dụng và ốc vít, đảm bảo tính chắc chắn và độ bền lâu dài.

16 Ưu điểm của loại này là kín khí tuyệt đối, không bị hư nhưng chỉ có vài kích thước cố định như hầm 4m 3 ; 7m 3 ; 9m 3 , giá thành cao

Hình 2.6 Các bô ̣ phâ ̣n riêng biê ̣t của bể khí sinh ho ̣c composite

Tình hình áp dụng công nghệ khí sinh học để xử lý chất thải chăn nuôi trênthế giới và Việt Nam

Tình hình áp dụng công nghệ khí sinh học trên thế giới

Chính phủ nước này đã triển khai các chương trình hỗ trợ nông dân xây dựng hầm ủ khí sinh học, giúp xử lý chất thải trong chăn nuôi Nhờ đó, hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình chuyển sang sử dụng khí biogas thay cho củi để nấu ăn hàng ngày.

Vào năm 1985, Ấn Độ sở hữu khoảng 1 triệu bể biogas với tổng chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la Đến năm 1999, số lượng hầm khí sinh học quy mô gia đình đã tăng lên 2,9 triệu.

2700 công trình khí sinh học tập thể xử lý phân người, ước tính số công trình này tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn ure hàng năm

Tháng 3 năm 2000, Nước này đã có 3 triệu công trình khí sinh hoc

Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp Trung Quốc, hiện có 460 công trình khí sinh học quy mô lớn được triển khai để xử lý chất thải môi trường trong chăn nuôi, cung cấp khí cho 5,59 triệu hộ gia đình.

2008 số công trình cỡ lớn tăng lên đến 573 công trình Năm 2010, có 2000 công trình cỡ lớn và 8,5 triệu hầm quy mô hộ gia đình

Nepal không nuôi heo mà chủ yếu trồng trọt và chăn nuôi bò, nhưng lại đặc biệt chú trọng xây dựng hầm biogas để xử lý chất thải Hệ thống này tận dụng khí sinh học từ phân và nước tiểu của người và gia súc, phục vụ nhu cầu đun nấu và thắp sáng cho người dân.

Việc xây dựng hầm biogas để xử lý chất thải tại Nepal bắt đầu từ năm 1975, được gọi là "năm nông nghiệp", với 200 gia đình lắp đặt hầm nắp nổi hình vòm cầu Đến năm 1992, nhờ sự hỗ trợ của dự án chương trình phát triển khí sinh học, Chính phủ Nepal đã hoàn thành 16.000 công trình hầm biogas.

2008 là 140.000 công trình phục vụ cho 11.000 dân trên địa bàn cả nước.

Tình hình áp dụng công nghệ khí sinh học ở Việt Nam

Tình hình phát triển khí sinh học Việt Nam trải qua 4 giai đoạn [16] [17]

Kể từ năm 1960, Bộ Nông nghiệp đã chú trọng đến công nghệ khí sinh học, tiến hành xây dựng các dự án thử nghiệm tại một số tỉnh Tuy nhiên, nhiều công trình này đã sớm ngừng hoạt động do gặp phải các vấn đề kỹ thuật.

Giai đoạn 1976 – 1980 đánh dấu sự khởi đầu của đề án “Sử dụng khí sinh học ở Việt Nam”, với đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng hầm ủ lên men sinh khí meta” vào năm 1976, khôi phục hoạt động nghiên cứu và triển khai công nghệ khí sinh học trong nước.

Cuối năm 1979, công trình nắp nổi với dung tích bể phân hủy 27 mét khối tại nông trường Sao Đỏ, Mộc Châu đã được xây dựng thành công, tạo nền tảng quan trọng cho các hoạt động tổ chức thực hiện sau này.

Chương trình nghiên cứu Nhà nước về năng lượng mới (mã số 52C) được triển khai ưu tiên trong hai kế hoạch năm năm 1981-1985 và 1986-1990, do Viện Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Điện chủ trì Đồng thời, Bộ Y tế cũng thực hiện một số dự án liên quan đến khí sinh học với mục tiêu cải thiện vệ sinh môi trường.

Trong giai đoạn này, Việt Nam nhận được sự hỗ trợ từ nhiều tổ chức quốc tế như Viện Sinh lý Sinh hóa VSV (Liên Xô cũ), OXFAM (Anh) và SIDA (Thụy Điển) Đến cuối năm 1990, cả nước đã có khoảng 2000 công trình khí sinh học với kích thước từ 2 đến 200 m³.

Trong thời gian gần đây, công nghệ khí sinh học đã có sự phát triển đáng kể, đặc biệt trong các dự án liên quan đến vệ sinh môi trường, nông nghiệp và phát triển nông thôn.

Các chương trình đó là: Chương trình mục tiêu Quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn giai đoạn 2006 -2010 do Thủ tướng Chính phủ phê duyệt:

Dự án Nâng cao chất lượng và an toàn sản phẩm nông nghiệp, cùng với phát triển chương trình khí sinh học (QSEAP&BDP), được thực hiện từ năm 2009 đến 2015 với sự tài trợ từ Ngân hàng BDP.

- Dự án Cạnh tranh ngành chăn nuôi và an toàn thực phẩm (LIFSAP) từ năm

2010 – 2015 do Ngân hàng Thế Giới tài trợ;

- Dự án chương trình phát triển khí sinh học Việt Nam do Hà Lan tài trợ

Hiện nay, cả nước có hơn 500.000 công trình khí sinh học, bao gồm 130.000 công trình được xây dựng từ chương trình hỗ trợ của Chính phủ trong giai đoạn 2003-2013 Các công trình khí sinh học quy mô lớn, có khả năng tích trữ vài trăm mét khối, chủ yếu được xây dựng tại Đồng Nai và Bình Dương để xử lý chất thải chăn nuôi từ các trang trại.

10 công trình Loại công trình này do Khoa chăn nuôi Thú y Trường đại học Nông –

Lâm thành phố Hồ Chí Minh đang nghiên cứu và phát triển các công trình sử dụng vật liệu HDPE để tạo ra môi trường kỵ khí cho quá trình xử lý Khí thu được từ các công trình này được sử dụng để vận hành máy phát điện, với các tổ máy sử dụng động cơ ô tô cũ kéo máy phát điện.

Các lợi ích từ việc sử dụng công nghệ khí sinh học để xử lý chất thải

Góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Sử dụng biogas trong nấu nướng giúp giảm thiểu tình trạng phá rừng để lấy than và củi, từ đó góp phần giảm thiểu thiên tai như lũ lụt và hạn hán Bên cạnh đó, việc bảo vệ rừng còn giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì sinh quyển và bảo tồn đa dạng sinh học.

Việc giải quyết được nguồn chất thải gia súc gia cầm từ đó không còn gây mùi hôi thối khó chịu, ô nhiễm đất, nguồn nước.

Lợi ích về xã hội

Trong môi trường kỵ khí, mầm bệnh được tiêu diệt hoàn toàn, giúp ngăn chặn sự lây lan dịch bệnh cho gia súc, gia cầm và con người Việc phát triển hầm khí sinh vật hiệu quả sẽ kiểm soát tốt các bệnh ký sinh trùng và bệnh sán, đồng thời cải thiện vệ sinh nông thôn, bảo vệ người làm nông nghiệp và nâng cao tiêu chuẩn sức khỏe Điều này cũng góp phần giải phóng sức lao động của phụ nữ và trẻ em khỏi công việc nặng nhọc như bếp núc và kiếm củi.

Lợi ích kinh tế từ việc áp dụng công nghệ khí sinh học để xử lý chất thải chăn nuôi

4.3.1 Tạo ra nguồn năng lượng sạch

Tại Eshtehard, gần tỉnh Tehran, Iran, hàng ngày có khoảng 219.000 tấn chất thải từ gia súc và 87.600 tấn từ gia cầm được sản sinh Việc xây dựng hệ thống khí sinh học quy mô công nghiệp tại đây có thể tạo ra 5.950 kW điện, 2,36 tấn khí, 58,8 mét khối phân lỏng, 11 tấn phân khô và 11.900 kWh nhiệt Thời gian hoàn vốn cho dự án ước tính là 3,3 năm, với lợi nhuận thu được lên tới 3,9 triệu USD.

Theo báo cáo của Nguyễn Quang Khải tại hội thảo về phát triển năng lượng Việt Nam năm 2008, tổng tiềm năng lý thuyết từ phụ phẩm nông nghiệp và rác thải đô thị năm 2006 đạt 14.892,426 triệu m³, tương đương 7,446 triệu TOE Số lượng này có thể sản xuất được 18.616 triệu kWh điện năng, chiếm 27,85% sản lượng điện toàn quốc năm 2006, tức là 966.838 triệu kWh.

Bảng 4.1 Năng lượng lý thuyết của phụ phẩm khí sinh học và rác thải đô thị năm

Năm 2006, giá dầu thế giới ước tính đạt 73,5 USD/thùng, tương đương với 7 thùng dầu có khối lượng 1 tấn Trong khi đó, giá điện sinh hoạt trung bình là 852 đ/kWh Nhờ việc nhập khẩu dầu, số tiền tiết kiệm ước tính lên tới 78.183 USD, tương đương khoảng 15.861 tỷ đồng.

4.3.2 Đun nấu và thắp sáng

Khí sinh học có nhiệt trị khoảng 4.700-6500 kcal/m 3 Về nhiệt lượng hữu ích: 1m 3 khí sinh học tương đương: 0,96 lít dầu; 4,7 KWh điện; 4,07 kg củi gỗ; 6,1 kg rơm rạ [16]

Phát triển khí sinh học là một giải pháp quan trọng trong việc giải quyết vấn đề năng lượng ở nông thôn, cho phép sử dụng khí sinh học thay thế cho các nguyên liệu truyền thống như than, củi và ga hóa lỏng Theo nghiên cứu của Nguyễn Quang Khải, một hệ thống khí sinh học có thể tích từ 3-5 m³, với 15-20 kg nguyên liệu nạp mỗi ngày, có thể sản xuất từ 500-1000 lít khí, đủ để đáp ứng nhu cầu đun nấu thức ăn và nước uống cho gia đình khoảng 4-5 người.

Theo khảo sát từ dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam (SNV) 2010-2011”, mỗi hộ gia đình trung bình tiết kiệm được 286.000 đồng cho việc đun nấu và thắp sáng.

Dự kiến, công trình khí sinh học 11m³ có tuổi thọ khoảng mười năm, với thời gian hoàn vốn khoảng 2,5 năm Sau thời gian này, gia đình sẽ được sử dụng miễn phí năng lượng sinh ra từ công trình.

Khí biogas được sử dụng để thắp sáng bằng đèn măng sông, với kết quả thí nghiệm của Viện Năng lượng cho thấy, mức tiêu thụ 40-80 lít khí sinh học mỗi giờ, đèn khí sinh học phát sáng tương đương với bóng điện sợi đốt 25W Đối với các loại đèn tiêu thụ 0,1 – 0,15 m3/h, độ sáng đạt tương đương với đèn điện sợi đốt 60W, và độ sáng của đèn tăng lên khi áp suất của đèn được nâng cao.

4.3.3 Chạy các động cơ đốt trong

Hiện nay, động cơ chuyên dụng cho khí sinh học đã được phát triển, với Thụy Điển dẫn đầu trong việc sử dụng biogas cho phương tiện giao thông Quốc gia này đã triển khai tàu chạy bằng biogas và 779 xe buýt hoạt động bằng khí sinh học, cho thấy tiềm năng lớn của năng lượng tái tạo này trong giao thông công cộng.

4500 xe hơi chạy bằng hỗn hợp xăng – khí sinh học [21]

Có thể cải tạo hoặc chế tạo các phụ kiện để chuyển đổi động cơ xăng 4 kỳ và động cơ diesel 4 kỳ thành thiết bị sử dụng khí sinh học.

Hình 4.1 Chi phí nhiên liệu của hộ trước khi có công trình

Hình 4.2 Chi phí nhiên liệu của hộ sau khi có công trình

22 Điển hình như Tiến sĩ Bùi Văn Ga đã chế tạo thành công phụ kiện GA5 gắn vào động cơ xe gắn máy để chạy bằng khí biogas [11]

Bảng 4.2 Lượng khí sinh học dùng để chạy các động cơ đốt trong được mô tả [16]

Loại động cơ Lượng khí tiêu thụ Động cơ dung xăng 0,4-0,5 m 3 /mã lực Động cơ dung diezen 0,45 m 3 /mã lực

Máy phát điện 0,6-0,7 m 3 /mã lực

4.3.4 Sử dụng làm phân và phân compost

Phụ phẩm khí sinh học, bao gồm cả dạng rắn và lỏng, là chất thải phát sinh từ hầm biogas và chứa nhiều chất dinh dưỡng quan trọng Tỷ lệ các chất dinh dưỡng trong phụ phẩm khí sinh học rất đa dạng và có ý nghĩa lớn trong việc tái sử dụng và cải thiện đất.

Bảng 4.3 Tỷ lệ dinh dưỡng các chất trong thành phần phụ phẩm khí sinh học

Tương đương với kg phân ure (46% N)

Tương đương với phân photphat (21% P2O5)

Tương đương với phân KCL (60% K2O)

Người ta tận dụng phụ phẩm này để làm phân bón cho cây trồng hoặc thức ăn nuôi cá và gia súc

Nghiên cứu của Trịnh Thị Bích Huyền và cộng sự (2012) cho thấy việc sử dụng phụ phẩm khí sinh học để bón cho cây cải cay và bưởi Năm Roi mang lại năng suất cao hơn và sản phẩm có lá bóng đẹp hơn so với phân bón hóa học thông thường Cụ thể, năng suất đạt 2,16 kg/m² với phụ phẩm khí sinh học, trong khi đó năng suất chỉ đạt 2,04 kg/m² khi sử dụng phân bón thông thường.

Theo kết quả khảo sát từ dự án “Chương trình phát triển năng lượng khí sinh học Việt Nam” do Ba Lan tài trợ, 330 hộ dân tại 8 tỉnh có công trình khí sinh học đã được khảo sát và cho thấy những thông tin quan trọng về sự phát triển và ứng dụng năng lượng này.

Sử dụng khí sinh học trong chăn nuôi cá và trồng trọt giúp tiết kiệm chi phí lên đến 84.000 đồng mỗi hộ, trong đó 48.000 đồng đến từ chăn nuôi và 37.000 đồng từ trồng trọt.

Hình 4.3.chi phí tiết kiệm từ việc sử dụng phụ biogas để trồng trọt và chăn nuôi

Tại báo cáo của Nguyễn Hồng Sơn trên tạp chí Khoa học công nghệ tỉnh Nghệ

An [20] thì khi sử dụng chất thải sau biogas làm phân bón cho lúa sẽ tiết kiệm được 250.000 đồng cho 1ha lúa

Ngoài việc sử dụng phụ phẩm khí sinh học trực tiếp cho thức ăn và bón cây, người ta còn ủ phân compost từ các phụ phẩm này Hành động này không chỉ giúp dự trữ lượng phân thừa chưa sử dụng mà còn tạo ra phân bón chất lượng cao hơn Đồng thời, việc tận dụng vi sinh vật trong dung dịch thải cũng mang lại lợi ích cho quá trình canh tác.

24 bổ sung cho quá trình ủ phân từ rác rải giúp quá trình ủ diễn ra nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian ủ phân.

Lợi ích kinh tế từ việc giảm tác động đến môi trườngvà bán tín chỉ phát thải

Việc sử dụng hầm biogas để xử lý chất thải không chỉ giảm thiểu tác động đến môi trường đất, nước và không khí mà còn giúp giảm chi phí xử lý Sử dụng khí sinh học làm nguyên liệu đun nấu sẽ giảm chi phí mua than củi, từ đó hạn chế nạn chặt phá rừng và tăng cường khả năng hấp thụ CO2 trong khí quyển Điều này cũng góp phần giảm chi phí cho việc trồng lại và chăm sóc rừng mới.

Theo báo cáo của Nguyễn Hồng Sơn, tính đến ngày 01/10/2010, tỉnh Nghệ An đã ghi nhận hơn 7 triệu tấn chất thải rắn và gần 5 triệu tấn chất thải lỏng từ chăn nuôi, cùng hàng trăm triệu mét khối chất thải khí Việc xử lý lượng chất thải này qua biogas có thể tạo ra khí tương đương với việc đốt 2.216.806 tấn củi gỗ, dẫn đến việc hàng chục ngàn ha rừng bị tàn phá mỗi năm, gây thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường và ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân.

Giảm phát thải khí nhà kính là một vấn đề quan trọng, vì khi chất thải không được xử lý, vi sinh vật sẽ phân hủy và tạo ra các khí như CH4, CO2, N2O, làm gia tăng ô nhiễm không khí Ngoài ra, việc đốt nhiên liệu hóa thạch cũng góp phần phát thải khí nhà kính, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và trái đất Một tấn metan phát thải có tác động tương đương với nhiều tấn CO2, do đó, việc kiểm soát và xử lý chất thải hiệu quả là cần thiết để bảo vệ hành tinh.

21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà kính và khi đốt 1 tấn metan cháy sẽ tạo ra 2,75 tấn cacbonic, lúc đó hiệu ứng nhà kính giảm đi 7,6 lần.[17]

Dự án “Chương trình khí sinh học Việt Nam” đã xây dựng 130.000 công trình khí sinh học, giúp giảm phát thải khí nhà kính lên tới 13.928.947,5 tấn CO2 Đặc biệt, dự án này được Tổ chức Tiêu Chuẩn vàng Gold Standard công nhận với 510.952 tín chỉ vàng, tương đương với 510.952 tấn CO2 giảm phát thải trong năm 2010 và 2011 Một tổ chức từ Pháp đã cam kết mua các tín chỉ này để bù đắp cho lượng phát thải của mình.

Với giá 1 Euro cho mỗi tín chỉ phát thải khí cacbon, việc bán 510.952 tín chỉ trong năm 2010 và 2011 mang lại 510.952 Euro Số tiền thu được hàng năm sẽ tăng theo số lượng dự án được thực hiện.