xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình tích luỹ sinh khối cây lúa và heo thịt, bò sữa trong sản xuất nông nghiệp xã thái mỹ, huyện củ chi phục vụ thiết kế mô hình biomass town

Trên cơ sở các số liệu thu thập được, thiết kế mô hình Biomass Town trong đó tận dụng triệt để các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp trong việc sản xuất năng lượng.. Đã thiết kế mô hình Bio

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

BÁO CÁO NGHIỆM THU

BIOMASS TOWN

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS PHAN ĐÌNH TUẤN, THS NGUYỄN PHƯỚC TRUNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 9/ 2008

1

BÁO CÁO NGHIỆM THU

Tên đề tài: Xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình tích lũy sinh khối cây lúa và heo thịt,

bị sữa trong sản xuất nơng nghiệp xã Thái Mỹ, Huyện Củ Chi phục vụ thiết kế mơ hình Biomass Town

Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Đình Tuấn, ThS Nguyễn Phước Trung

Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP.HCM

Thời gian thực hiện đề tài: 2005-2007

Kinh phí được duyệt: 185 triệu đồng

Kinh phí đã cấp: 120 triệu đồng theo TB số : 125 TB-SKHCN ngày 25 / 8 / 2005

46,5 triệu đồng theo TB số : 244 TB-SKHCN ngày 08 / 12/ 2006

Mục tiêu: - Đưa ra mối tương quan giữa suất đầu tư cho cây lúa (phân bón, nước, công lao

động, ) và các sản phẩm thu hồi được từ cây lúa

- Đưa ra mối tương quan giữa suất đầu tư cho heo thịt, bò sữa (thức ăn, nước, công lao động, ) và các sản phẩm thu hồi được từ heo thịt, bò sữa

- Thiết kế mô hình Biomass Town dựa trên những cơ sở dữ liệu đã thu được ở trên Biomass Town ở đây có thể được hiểu là quy trình khép kín mà trong đó sử dụng tối ưu nguồn sinh khối để đem lại hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế, xã hội, môi trường,

Nội dung: - Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các

sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP HCM: Thuê diện tích đất canh tác, theo dõi quá trình trồng lúa từ 3-4 vụ trong 18 tháng theo quy trình đề ra Kết hợp với 10 hộ nông dân tại địa phương có quy mô sản xuất khoảng 3-5 ha / hộ Ghi nhận các thông số đầu vào (phương thức canh tác, thời tiết, thổ nhưỡng, giống, nước, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, ), quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lúa, các sản phẩm thu được sau thu hoạch

2

- Nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh khối trong quá trình trồng trọt Lập cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối trong quá trình trồng lúa tại địa phương

- Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các

sản phẩm và phụ phẩm của chăn nuôi heo thịt, chăn nuôi bò sữa tại địa bàn đã nêu : Xác định giống heo thịt và bò sữa đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi Theo dõi quá trình chăn nuôi giống heo thịt, bò sữa này trong 18 thángï Kết hợp với 10 hộ nông dân chăn nuôi heo thịt, bò sữa để tiến hành thu thập số liệu về các thông số đầu vào và lượng sinh khối thu được Đánh giá hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất thải thu được như là biogas và phân bón

- Nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thịt, bò sữa Lập cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thịt, bò sữa

- Đánh giá về việc sử dụng nguồn sinh khối được tạo ra từ quá trình tích luỹ

sinh khối của cây lúa, heo thịt, bò sữa Đề xuất hướng sử dụng có hiệu quả hơn về mặt kinh tế, xã hội, môi trường đối với các phụ phẩm và chất thải của nghành trồng trọt và chăn nuôi : Đề xuất mô hình Biomass Town phù hợp với đối tượng khảo sát và tình hình kinh tế xã hội của xã Thái Mỹ Thiết kế mô hình Biomass Town (dạng tài liệu, bảng vẽ) tại địa bàn nói trên Tài liệu thiết kế này sẽ là cơ sở cho việc xây dựng mô hình Biomass Town sau này

Những nội dung đã thực hiện:

1 Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu

về tình hình sản xuất và tiêu thụ các

sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa tại

xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP HCM

1 Đã điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa tại xã Thái My

3

2 Thuê diện tích đất canh tác, theo dõi

quá trình trồng lúa từ 3-4 vụ trong 18

tháng theo quy trình đề ra Kết hợp

với 10 hộ nông dân tại địa phương có

quy mô sản xuất khoảng 3-5 ha / hộ

Ghi nhận các thông số đầu vào

(phương thức canh tác, thời tiết, thổ

nhưỡng, giống, nước, phân bón, thuốc

bảo vệ thực vật, ), quá trình sinh

trưởng và phát triển của cây lúa, các

sản phẩm thu được sau thu hoạch

3 Nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh

khối trong quá trình trồng trọt Lập

cân bằng vật chất và năng lượng cho

quá trình tích luỹ sinh khối trong quá

trình trồng lúa tại địa phương

4 Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu

về tình hình sản xuất và tiêu thụ các

sản phẩm và phụ phẩm của chăn

nuôi heo thịt, chăn nuôi bò sữa tại địa

bàn đã nêu

5 Xác định giống heo thịt và bò sữa

đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ

biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi

Theo dõi quá trình chăn nuôi giống

heo thịt, bò sữa này trong 18 thángï

Kết hợp với 10 hộ nông dân chăn

nuôi heo thịt, bò sữa để tiến hành thu

thập số liệu về các thông số đầu vào

và lượng sinh khối thu được Đánh

giá hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất

thải thu được như là biogas và phân

bón

6 Nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh

khối trong quá trình chăn nuôi heo

thịt, bò sữa Lập cân bằng vật chất và

năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh

2 Đã thuê diện tích đất canh tác, theo dõi quá trình trồng lúa 2 vụ theo quy trình đề ra Kết hợp với 1 hộ nông dân tại địa phương trên quy mô sản xuất khoảng 3000 m2 Ghi nhận các thông số đầu vào (phương thức canh tác, thời tiết, thổ nhưỡng, giống, nước, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, ), quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lúa, các sản phẩm thu được sau thu hoạch

3 Đã nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh khối trong quá trình trồng trọt, thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối trong quá trình trồng lúa tại địa phương

4 Đã điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm và phụ phẩm của chăn nuôi heo thịt, chăn nuôi bò thịt tại địa bàn đã nêu

5 Đã xác định giống heo thịt và bò thịt đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi Theo dõi quá trình chăn nuôi giống heo thịt, bò thịt này trong 12 thángï Kết hợp với 4 hộ nông dân chăn nuôi heo thịt, bò thịt để tiến hành thu thập số liệu về các thông số đầu vào và lượng sinh khối thu được Đánh giá hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất thải thu được như là biogas và phân bón

6 Đã nghiên cứu xác định sự tích luỹ sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thịt, bò thịt Lập cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích

4

khối trong quá trình chăn nuôi heo

thịt, bò sữa

7 Đánh giá về việc sử dụng nguồn sinh

khối được tạo ra từ quá trình tích luỹ

sinh khối của cây lúa, heo thịt, bò

sữa Đề xuất hướng sử dụng có hiệu

quả hơn về mặt kinh tế, xã hội, môi

trường đối với các phụ phẩm và chất

thải của nghành trồng trọt và chăn

nuôi

8 Theo dõi thêm quá trình trồng lúa

trong 1 vụ nữa để củng cố số liệu về

trồng trọt

9 Tiếp tục thống kê số liệu về sản xuất

thâm canh tại xã Thái mỹ để có đánh

giá toàn diện hơn về biomass của địa

phương

10 Trên cơ sở các số liệu thu thập được,

thiết kế mô hình Biomass Town trong

đó tận dụng triệt để các nguồn phế

phụ phẩm nông nghiệp trong việc sản

xuất năng lượng

luỹ sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thịt, bò thịt

7 Đã đánh giá về việc sử dụng nguồn sinh khối được tạo ra từ quá trình tích luỹ sinh khối của cây lúa, heo thịt, bò thịt Đề xuất hướng sử dụng có hiệu quả hơn về mặt kinh tế, xã hội, môi trường đối với các phụ phẩm và chất thải của nghành trồng trọt và chăn nuôi

8 Đã theo dõi thêm 1 vụ như yêu cầu của Hội đồng thẩm định giai đoạn 1 để khảo sát quá trình trồng lúa để củng cố số liệu về trồng trọt

9 Đã thống kê thêm số liệu về sản xuất thâm canh tại xã Thái mỹ để có đánh giá toàn diện hơn về biomass của địa phương

10 Đã thiết kế mô hình Biomass Town trong đó tận dụng triệt để các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp trong việc sản xuất năng lượng

5

6

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10

1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11

1.1 Biomass và các đặc trưng cơ bản 11

1.2 Thành phần và khả năng chuyển hoá thành năng lượng của biomass 15

1.3 Các loại biomas 27

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 30

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 31

1.6 Về một mơ hình thị trấn sinh thái 39

1.6 Vài nét về xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi và tình hình sản xuất, sử dụng biomass 45

2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 48

2.1 Trồng trọt 48

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu: 48

2.1.2 Kết quả nghiên cứu 48

2.1.3 Phân tích kết quả thực nghiệm 49

2.1.4 Kết quả khảo sát và tính toán cân bằng sinh khối tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi.54 2.2 Chăn nuôi bò: 56

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu: 56

2.2.2 Kết quả nghiên cứu: 56

2.2.3 Phân tích kết quả thực nghiệm, khảo sát và thảo luận 59

2.3 Chăn nuôi heo 61

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu 61

2.3.2 Kết quả nghiên cứu: 61

2.3.3 Phân tích kết quả thực nghiệm, khảo sát và thảo luận 65

2.4 Xây dựng mô hình phát triển nông thôn tại xã Thái Mỹ: 67

2.4.1 Tình hình sản xuất nông nghiệp của xã Thái Mỹ: 68

2.4.2 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ: 71

3.3 THẢO LUẬN: 78

3.3.1 Lý do để xây dựng nhà máy sản xuất cồn, trạm nạp khí biogas tại xã Thái Mỹ: 78 3.3.2 Chọn vị trí xây dựng trạm thu gom và nạp khí biogas: 80

3.3.3 Xây dựng nhà máy sản xuất cồn: 83

3.3.4 Tính toán chi phí cho quá trình xây dựng mô hình 86

3 Kết luận và kiến nghị 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

7

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1 1: Chu trình Biomass trong tự nhiên (Nguồn: www.bioenergy.org) 12

Hình 1 2: Chu trình Carbon (Nguồn: www.windows.ucar.edu) 13

Hình 1 3: Ảnh hưởng của công nghệ lọc dầu lên đời sống con người 14

Hình 1 4: Ảnh hưởng của công nghệ lọc Biomass đến đời sống con người 15

Hình 1 5: Thành phần cấu trúc Biomass 16

Hình 1 6: Sơ đồ cấu tạo phân tử galactoglucomannan 18

Hình 1 7: Sơ đồ cấu tạo phân tử arabinoglucoronoxylan 18

Hình 1 8: Hextose và pentose có trong thành phần hemicellulose 19

Hình 1 9: Chuyển hóa pentose trong môi trường axit 19

Hình 1 10: Sơ đồ cấu trúc phân tử của lignin 21

Hình 1 11: Sơ đồ đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin 22

Hình 1 12: Các kiểu liên kết phổ biến giữa các đơn vị phenypropan 22

Hình 1 13: Các dạng dimer tạo thành từ gốc tự do phenoxy 23

Hình 1 14: Tài nguyên Biomass: Rừng 28

Hình 1 15: Tài nguyên Biomass - Cỏ 29

Hình 1 16: Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ rơm rạ 37

Hình 1 17: Mô hình xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp để xây dựng thị trấn sinh thái 39

Hình 2 1: Tỷ lệ biomass thu hoạch được trên ruộng thí nghiệm 54

Hình 2 2: Tỷ lệ sử dụng rơm rạ tại xã Thái Mỹ huyện Củ Chi 55

Hình 2 3: Chi phí thức ăn (cỏ, cám) và lương chất thải trong quá trình nuôi bò 59

Hình 2 4: Số liệu chăn nuôi bò tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi 60

Hình 2 5: Chi phí thức ăn (cám, rau) và lương chất thải trong quá trình nuôi heo 65

Hình 2 6: Số liệu chăn nuôi heo tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi 67

Hình 3 1: Bản đồ thiết lập các vị trí xây dựng trạm nạp biogas và xưởng sản xuất cồn 81

8

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1 1: Ảnh hưởng của đặc tính biomass đối với việc lựa chọn quá trình chuyển hoá 27

Bảng 2 1: Chi phí và thu hoạch biomas trong quá trình trồng trọt 51

Bảng 2 2: Tình hình sử dụng rơm rạ trấu trên địa bàn Thái Mỹ 55

Bảng 2 3: Chế độ chăn nuôi bò và sự tích luý sinh khối 56

Bảng 2 4: Tỷ lệ các sản phẩm và phế thải từ chăn nuôi bò 60

Bảng 2 5: Chế độ chăn nuôi heo và sự tích luý sinh khối 61

Bảng 2 6: Tỷ lệ các sản phẩm và phế thải từ chăn nuôi heo 66

Bảng 2 7: kết quả sản xuất chăn nuôi 73

Bảng 2 8: Kết quả ứng dụng biogas (4.447.343 m3khí/năm) vào 02 mục đích chính: 76

Bảng 2 9: kết quả ứng dụng biogas dư (1.339.935 m3khí/năm) vào các mục đích khác: 76

Bảng 2 10: Kết quả sản lượng cồn từ phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi sử dụng mục đích khác: 78 Bảng 3 1: Để xây dựng mô hình biomass town trên cơ sở công nghệ chế biếnw biomass 79

BẢNG QUYẾT TOÁN KINH PHÍ ĐÃ CHI

Theo dõi quá trình sản xuất lúa trên cành đồng 8.000.000 Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ lúa 8.000.000 Theo dõi quá trình tạo sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thịt 6.800.000 Theo dõi quá trình tạo sinh khối trong quá trình chăn nuôi bò 6.800.000 Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ heo thịt 5.000.000 Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ bò 4.400.000

Cộng: 70.000.000

Thuê cánh đồng canh tác các loại cây trồng 2.000.000

Phân bón

- Phân hữu cơ:

- Phân hoá học

2.000.000 4.000.000

Chi phí hợp tác, hỗ trợ các hộ chăn nuôi heo bò để theo dõi quá trình

tích luỹ sinh khối (3 lứa/1,5 năm)

6.000.000 Dụng cụ, phụ tùng

9

Công cụ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp (dụng cụ bảo hộ) 2.000.000

Năng lượng, nhiên liệu

Cộng 40.000.000

Quản lý phí cơ quan chủ trì (6.000.000 đ /năm) 4.800.000 Quản lý phí cơ quan quản lý(3.000.000 đ /năm) 3.000.000

Cộng 10.000.000

BẢNG KINH PHÍ ĐỀ NGHỊ CẤP TIẾP

Thiết kế mô hình Biomass Town

- Lựa chọn mô hình phù hợp với địa phương

- Xây dựng quy trình khép kín về việc sử dụng sinh khối cho các đối

tượng khảo sát

- Đánh giá tính kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường, xã hội

12.000.000

- Dung môi dùng cho sắc ký lỏng

- Màng lọc membrane

- Dụng cụ lấy mẫu

( Các thiết bị này phục vụ cho việc phân tích các mẫu biomass thu

được)

12.000.000 3.000.000 3.000.000 3.000.000

10

MỞ ĐẦU

Ở trong nước, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành theo hướng tận dụng những phụ phẩm và chất thải của sản xuất nông nghiệp làm thức ăn gia súc, trồng nấm, làm vật liệu, nhiên liệu,vv… Một số đề tài nghiên cứu đã được triển khai nhằm giúp nông dân trồng nấm rơm, ủ thức ăn cho gia súc, sản xuất biogas Những nghiên cứu mới đây cho thấy khả năng nuôi trùng đất để phân huỷ chất thải và tạo sinh khối làm thức ăn cho cá, vv… Tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn còn đang trên bước đường hoàn thiện, chưa trở thành công cụ giúp nhà nông đẩy mạnh sản xuất và tăng thêm thu nhập một cách có hệ thống

Việc chưa nghiên cứu rõ thế mạnh của từng vùng sản xuất đã dẫn đến đầu tư dàn trải, thiếu quy hoạch, không tạo nên được những vùng nguyên liệu đặc trưng cho công nghiệp

Nhiều nghiên cứu đã chỉ rõ rằng một phần chất thải nông nghiệp cần phải được đưa trở lại cánh đồng để cải tạo đất Nhiều nhà nghiên cứu về nông nghiệp đã chỉ rõ cơ chế phát triển của cây trồng, vật nuôi, các chất dinh dưỡng cần thiết và liều lượng sử dụng Tuy nhiên chưa có những nghiên cứu có hệ thống về sự tích luỹ các chất thải do các hoạt động sản xuất và tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp gây ra, qua đó đánh giá được tác động môi trường và có biện pháp cải thiện tình hình

Việc sử dụng các loại phân bón hoá học cho phép tăng nhanh năng suất và sản lượng sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên điều này cũng gây nên việc làm thoái hoá đất nông nghiệp Tình hình này cần được cải thiện bằng cách sử dụng nhiều hơn phân bón hữu cơ, vi sinh Việc nghiên cứu cân bằng vật chất, năng lượng trong hoạt động sản xuất nông nghiệp sẽ cho phép tính toán được lượng bổ sung, thay thế và tần suất sử dụng các nguồn phân bón khác nhau, đảm bảo cho sự phát triển bền vững của nông nghiệp và tăng thu nhập cho người dân

11

1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trong tình hình giá dầu mỏ biến động theo xu hướng tăng nhanh, các chất hữu cơ ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu như là một nguồn cung cấp năng lượng Trong số các chất hữu cơ có thể có, các chất thải và phụ phẩm nông nghiệp là mối quan tâm hàng đầu do khối lượng lớn cũng như khả năng cung cấp của chúng

Trong lĩnh vực trồng trọt, chất thải và phụ phẩm chủ yếu là rơm rạ, trấu Ở nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới, trước nay, rơm là nguồn thức ăn dự trữ cho trâu bò; rạ là nguồn chất đốt cho các hộ gia đình, vừa đóng vai trò làm vật liệu lợp mái, che chắn,…; trấu vừa được sử dụng làm chất đốt, vừa làm chất độn rải chuồng, ủ phân,…

Gần nay, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước và việc nâng cao đời sống nhân dân, nhiều bếp củi, bếp lò đã dần dần được thay thế hoặc thay thế một phần bằng bếp ga vệ sinh và tiện lợi hơn Các chất thải và phụ phẩm của ngành trồng trọt với vai trò chất đốt ngày càng ít được sử dụng Đồng thời, với việc áp dụng kỹ thuật giống và canh tác, các loại giống mới cho cây ngắn hơn cũng hạn chế khả năng sử dụng cây lúa làm chất đốt Hậu quả là ở nhiều nơi, nông dân phải đốt bỏ rơm rạ, dẫn đến lãng phí và gây ô nhiễm không khí

Trong lĩnh vực chăn nuôi, các trang trại lớn ra đời cùng với quy mô ngày càng mở rộng tại các hộ gia đình đã tạo ra một khối lượng lớn chất thải Ở quy mô sản xuất nhỏ, các chất thải này không gây ra hậu quả nghiệm trọng về vệ sinh và môi trường và các gia đình có thể thu gom, ủ làm phân,… Tuy nhiên, ở quy mô lớn, những vấn đề này trở nên trầm trọng hơn

Trên cơ sở các chất hữu cơ là phế phụ phẩm nông nghiệp, chúng ta có thể biến chúng thành nguồn cung cấp năng lượng có giá trị, dần thay thế một phần dầu mỏ mà vẫn góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính vốn đã rất nặng nề vào thời gian hiện nay

1.1 Biomass và các đặc trưng cơ bản

- Khái niệm: “Biomass” được định nghĩa là các loại vật chất hữu cơ có thể chuyển hoá thành

năng lượng

Năng lượng sinh khối (năng lượng vi sinh) là năng lượng được sản sinh từ biomass Năng lượng sinh khối (năng lượng vi sinh) là năng lượng được sản sinh từ biomass

12

- Đặc tính năng lượng Biomass

Hệ thống sinh năng lượng từ mặt trời:

Trong tổng số năng lượng sinh ra do sự chiếu sáng của mặt trời xuống trái đất, 0,2 % được sinh vật (thực vật và động vật) sử dụng để sống và tích lũy sinh khối Nói cách khác, sinh khối trên trái đất được tạo thành từ 0,2% năng lượng mặt trời

Hình 1 1: Chu trình Biomass trong tự nhiên (Nguồn: www.bioenergy.org )

Có thể tái sinh, là nguồn tài nguyên vô tận và bền vững:

Đây là nguồn nguyên liệu duy nhất có thể tái sinh chỉ với nước và năng lượng mặt trời, phân bố khắp nơi trên thế giới

Có thể dự trữ và dùng để thay thế:

Năng lượng sinh ra có thể được dự trữ dưới dạng lỏng hoặc khí Nhiên liệu từ biomass có thể được sử dụng trong các hệ thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã sẵn có

Trung tính về mặt cacbon:

Khí cacbonnic được thải từ Biomass thì cố định và lại được hấp thụ trở lại khi Biomass tái sinh Việc sử dụng năng lượng từ Biomass không gây sự phá vỡ cân bằng CO2 toàn cầu

Do đó, sử dụng Biomass được xem như là một giải pháp cho sự ấm dần lên của trái đất

13

Hình 1 2: Chu trình Carbon (Nguồn: www.windows.ucar.edu )

- Tầm quan trọng của việc nghiên cứu xử lý Biomass

Với các đặc tính đã kể trên thì sẽ thật lãng phí nếu ta không chú ý đến nguồn tài nguyên khổng lồ này, nhất là trong giai đọan mà cả thế giới đều lo ngại về việc trái đất đang

bị cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch Văn minh nhân loại luôn kèm theo nó một mặt trái ghê gớm là tàn phá tài nguyên và hủy hoại môi trường Không thể phủ nhận lợi ích mà dầu mỏ và công nghệ lọc hóa dầu đã mang lại cho chúng ta trong hàng ngàn năm qua và như vậy cũng không nên quên rằng nguồn tài nguyên ấy đang cạn kiệt Hơn nữa, đồng thời với việc cho chúng ta những tiện ích cho cuộc sống, nó thải vào môi trường hàng ngàn chất độc hại mà chính chúng ta phải gánh chịu Có thể tóm tắt vai trò của công nghệ lọc dầu đối với sự tiến bộ của nhân loại như sau:

14

Hình 1 3: Ảnh hưởng của công nghệ lọc dầu lên đời sống con người

Nhà khoa học A Sakoda, một giáo sư thuộc Viện nghiên cứu khoa học, Đại học Tokyo đã đưa ra khái niệm “lọc Biomass”, bởi lẽ nếu ta nghiên cứu thay thế Biomass bằng dầu mỏ thì phải làm sao cho tiện ích nó mang lại phải hơn hoặc chí ít cũng phải tương tự như cái mà lòai người hiện đã quen hưởng thụ, đồng thời phải loại bỏ được những mối nguy hiểm mà mặt trái của công nghệ lọc dầu mang tới Vậy, làm một sơ đồ dây chuyền lọc Biomass, tương tự với lọc dầu, ta sẽ có kết quả sau (hình 1.4)

Như vậy, với nguồn nguyên liệu là Biomass, sản phẩm sinh ra sẽ là những sản phẩm thân thiện với môi trường Nói cách khác, sử dụng Biomass làm nguyên liệu là đồng nghĩa với việc hướng tới công nghệ không phế thải Sản phẩm sinh ra đều là những thứ có thể tái sinh và phần khí cacbonic cũng có thể hòan lưu một cách khép kín mà không gây ô nhiễm môi trường

Dầu Lọc dầu

Nhiên liệu Sản phẩm hóa dầu

Sản phẩm có nguồn gốc từ dầu

Ô nhiễm không khí CO

2

15

Hình 1 4: Ảnh hưởng của công nghệ lọc Biomass đến đời sống con người

1.2 Thành phần và khả năng chuyển hoá thành năng lượng của biomass

- Thành phần hóa học

Trong biomass có 2 thành phần cấu trúc cơ bản là hydrat cacbon và lignin Trong hidrat cacbon có cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau về trọng lượng phân tử, cấu trúc và tính chất hóa học Cấu trúc, hàm lượng và sự phân bố của những thành phần này trong cấu trúc của biomass thay đổi tùy lọai nguyên liệu, vị trí trong cây cũng như vị trí trong các lớp tường tế bào

Thành phần biomass thông thường gồm:

50% trọng lượng khô là cellulose ( α – cellulose) 25% trọng lượng khô là hemicellulose

25% trọng lượng khô là lignin

Biomass Lọc Biomass

Nhiên liệu Sản phẩm hóa sinh

Sản phẩm có nguồn gốc từ Biomass

CO2

16

Hình 1 5: Thành phần cấu trúc Biomass

Tổng quát, biomass chứa 60 -80% hidrat cacbon, 20 – 40% nhựa và các chất mang màu

Các hydrat carbon:

Hợp chất cơ bản nhất của hydrat carbon là các đường saccarit Saccarit đơn giản nhất, không thể thủy phân thành những phân tử nhỏ hơn gọi là monosaccarit (glucose, fructose) Những saccarit khi phân ly thành 2, 3 hoặc nhiều monosaccarit gọi là disaccarit, trisaccarit và polysaccarit Những saccarit thủy phân cho ra 8 đến 10 monosaccarit gọi là olygosaccarit…

Polysaccarit có khối lượng phân tử lớn, đại đa số các polysaccarit có từ 80 đến 100 monosaccarit, có một số chứa tới 3000 gốc mono trong phân tử

Polysaccarit có cấu trúc mạch hở do có sự kết hợp của gốc monosaccarit bằng liên kết glycozit, ngòai ra mạch có thể có nhánh do liên kết OH của mạch này với liên kết glycozit của mạch khác Có vài polysaccarit có cấu trúc mạch vòng

Cellulose

Cellulose là một polysaccarit, có công thức tổng quát là (C6H10O5)n, khối lượng mol phân tử của nó từ 30000 – 500000 Cellulose có cấu tạo mạch thẳng, được hình thành từ

17

những đơn vị D – glucose, liên kết theo kiểu của cellobiose (glucose-β-glucoside), nghĩa là các vòng glucopyrano quay ngược nhau một góc 180 độ Mạch đại phân tử cellulose có cấu trúc dạng thẳng và cấu hình dạng ghế Chiều dài mạch phân tử từ 5, 2 -7,7mm Các mạch phân tử này tập hợp kề cận nhau và nhờ liên kết hydro mà hình thành cấu trúc vi sợi Có khoảng 65 -73% phần cellulose là ở trạng thái kết tinh Phần cellulose ở trạng thái vô định hình là phần khá nhạy cảm với nước và một số tác chất hóa học Chính thành phần này làm tăng liên kết sợi Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit lõang nhưng có thể bị phân hủy bằng phản ứng thủy phân và bị oxy hóa bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ lớn hơn

1500 C Tóm lại, cellulose khá trơ dưới tác kích của hóa chất, ở nhiệt độ thường nó chỉ có thể hòa tan trong vài dung môi, phổ biến là cuprietylendiamin ( CED) và cadmiumetylendiamin ( cadoxen), còn dung môi ít phổ biến hơn nhưng mạnh hơn là N-metylmorpholin N-oxit và clorua liti dimetylformamid

α, β, γ cellulose:

α cellulose là phần cellulose không tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5%

β cellulose là phần hemicelluose mạch ngắn, có khả năng tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5% nhưng sau đó sẽ kết tủa khi chuyển dung dịch sang môi trường axit

γ cellulose là phần vẫn hòa tan sau khi chuyển dung dịch sang môi trường axit, đó là phần hemicellulose có độ trùng hợp rất thấp ( <15), được cấu tạo từ những đơn vị đường khác với glucose

Tuy nhiên, cellulose không phải luôn luôn là thành phần chủ yếu trong tất cả các loại biomass Mannitol, một alcohol hexahydric có thể được hình thành từ sự giảm bớt nhóm aldehyd của D- glucose thành nhóm methynol, và acid alginic (polymer của acid mannuromic và acid glucorunic) có khi là những hidrocacbon chính trong một số loài biomass

18

2 2

2

O O

CH 2 OH O HO

O

CH 2 OH OH

OH

COOH

OH

O O

O

O

O OH

OH O

O O

OH HO

O

OH

O HOH 2 C

1 1

1

Hình 1 7: Sơ đồ cấu tạo phân tử arabinoglucoronoxylan

Hemicellulose chứa các đơn vị pentose (chứ không phải là hextose) tuy nhiên cũng có vài trường hợp chứa hextose

CH2OH

OH

OH OH

O HO

CH2OH

OH OH

O HO

HO

OH

CH2OH

OH OH

O HO

OH

OH OH

O HO

CH2OH

OH OH OH

O HO

HO

CH2OH

OH

OH O

19

Hình 1 8: Hextose và pentose có trong thành phần hemicellulose

Hemicellulose thường chứa 50 -2000 đơn vị monomeric và vài đường đơn giản

Nhưng không giống như cellulose, hemicellulose chứa cấu trúc nhánh, các cấu trúc này thay đổi tuỳ loại biomass (tuỳ gỗ hay thân cỏ), thường ở trạng thái vô định hình Còn những phân tử hemicellulose mạch thẳng giống phân tử cellulose thì có một phần ở trạng thái kết tinh Độ bền hóa học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so với cellulose vì chúng có độ kết tinh và trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp là 90 trong khi độ trùng hợp của cellulose là 600-1500) Đặc trưng của nó là tan trong dung dịch kiềm lõang, so với cellulose thì nó dễ bị thủy phân hơn nhiều lần trong môi trường kiềm hay axit

CH2OH H

H

H

H H

H

-2 H2O

H C C

H

H

Hình 1 9: Chuyển hóa pentose trong môi trường axit

Có 3 lọai hemicellulose:

Đơn giản: có thể tách dưới tác dụng của các hóa chất dùng trong quá trình nấu

Phức tạp: lọai này liên kết khá chặt chẽ với lignin và do vậy cần có những phản ứng hòa tan lignin khá mạnh

Cellulosal: là những hextose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose

Các hidratcacbon khác

Tinh bột cũng là polysaccarite có công thức tổng quát là (C6H10O5)n, cũng được hình thành từ những đơn vị D – glucose các đơn vị hexose này được liên kết giống như trong maltose (glucose-α-glucoside) Tinh bột có thể được chia làm 2 thành phần bằng cách thuỷ

20

phân chúng trong nước nóng Một thành phần hoà tan tên là amylase ( chiếm 10 -20 %) và thành phần không hoà tan amylopectin ( 80 -90%) Amylase và amylopectin có phân tử lượng từ 10000-50000 và 50000-100000 Cả 2 thành phần trên đều mang glucose hoặc maltose trên liên kết nhưng amylopectin thì chứa chuỗi phân nhánh

Lipid và protein có rất ít trong thành phần Biomass

15 16

O

10

OCH3

CH CH

9

Hình 1 10: Sơ đồ cấu trúc phân tử của lignin

1 2 3 4

C C C

C C

C

1

C C C

CH3O OCH 3

OH

γ

II: Guaiacyl propan ( G)

II: Syringly propan ( S)

III: Parahydroxylphenyl propan (P)

Hình 1 11: Sơ đồ đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin

C

C C

O

O O

C

C C

O

O

O C

C C

C

C C

O O

O

C

C C

O

C

C C

23

CH

HC CH CH2O H

OCH3 O

Hình 1 13: Các dạng dimer tạo thành từ gốc tự do phenoxy

Lignin thì được phân nhánh, có thể thay thế đơn phân tử, thường liên kết với sợi cellulose để tạo thành phức lignocellulosic Bằng một số phương pháp hóa học, ta có thể tách được hoàn toàn lignin và xem như sợi được cấu tạo từ cellulose tinh Hợp chất lignocellulosic và bản thân lignin khó bị phân huỷ sinh học Hợp chất tan trong axit mạnh còn lignin thì không tan Trong gỗ cứng và mềm, lignin chiếm 20 – 40 % khối lượng khô Trong các loài thân cỏ như đậu, lúa, nó chiếm từ 10 đến 40% khối lượng

Các thành phần khác

Trong biomass còn có triglyceride, đó là esther của triol, glycerol và acid béo Esther này không tan trong nước nhưng tan trong dầu, có nhiều trong cây họ dầu Tuy nhiên, so với lignin và các polysaccharide khác thì lượng triglyceride này còn rất nhỏ

- Thành phần năng lượng

Năng lượng chứa trong Biomass khác nhau tùy theo loại Chỉ thị năng lượng chính của Biomass là nhiệt trị của nó, đó là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hòan tòan một khối lượng Biomass xác định Nhiệt trị thay đổi tùy theo thành phần Biomass Thông thường, trong thành phần Biomass càng nhiều chất hữu cơ và cacbon thì nhiệt trị càng cao, độ ẩm càng cao thì hiệu quả sử dụng nhiệt càng kém

- Các kỹ thuật sử dụng Biomass

Sử dụng Biomass làm vật liệu:

Dùng làm phân bón, phân trộn, vật liệu thay thế đất trồng

Sử dụng thực phẩm thừa làm thức ăn gia súc

Sử dụng nhựa gỗ làm chất kết dính: đó là hỗn hợp của lignin và bột giấy hoặc mùn cưa, tính kết dính rất cao

Sử dụng Biomass trộn: nghiền Biomass, xong đem trộn với xăng dầu hình thành nhựa nhiệt dẻo hoặc dùng làm nhiên liệu:

Sấy khô và nghiền vụn các mảnh gỗ, trộn chúng với dầu tái chế theo tỉ lệ ( 10% bột gỗ và 90% dầu)

Trộn hỗn hợp trên với nước chứa Na2CO3 và xử lý chúng ở 3700C và 27.579 KPa Theo quy trình trên, sản phẩm dầu thô được so sánh với dầu nhiên liệu số 6, loại dầu này có nhiệt trị lên đến 34.5MJ/ kg, O2 chiếm 12,35, tỉ trọng là 1.1 và độ nhớt là 0.2 Pas ở

990C trong khi sản phẩm chưng từ dầu thô có nhiệt trị 40.4 MJ/kg, độ nhớt 0.01Pas và chứa 6.2 % O2 đặc tính này tương tự như tính chất của dầu nhiên liệu số 2 theo Douglass, 4988kg dầu thô sẽ được sản xuất từ 9953kg biomass

Quy trình này chuyển hoá trực tiếp biomass thành dầu nhiên liệu nhưng nhược điểm chính của nó là không xác định được lượng khí tổng hợp cần thiết Hơn nữa, người ta cũng không trả lời chính xác được là liệu có cần Na2CO3 hay không và nếu cần thì lượng đó là bao nhiêu Trong trường hợp không có 2 tác nhân này thì chất lượng dầu thô sẽ bị ảnh hưởng như thế nào là vấn đề vẫn chưa được sáng tỏ

25

Sử dụng Biomass giàu tinh bột, lên men polylactic để tạo nhựa, dùng trong linh kiện xe hơi

Sử dụng Biomass giàu cellulose làm thành ván ép ( bã mía, cây kenaf)

Sử dụng Biomass làm năng lượng:

Phản ứng nhiệt hóa học:

Đốt trực tiếp: dùng Biomass như là một chất đốt và sử dụng lượng nhiệt phát ra đó để chạy máy phát điện

Chuyển hóa thành nhiên liệu rắn bằng cách nén hỗn hợp Biomass với than đá

ở 100 -1500C, loại nhiên liệu này rất dễ bắt lửa

Than hóa: sử dụng Biomass có nguồn gốc từ rừng như mảnh gỗ phế thải hoặc rác đô thị, rác sinh họat và lò than hóa để tạo thành các tấm than Loại than này có ứng dụng rất rộng rãi, dùng trong nhiều lĩnh vực như :

Hấp phụ

Dùng làm xúc tác trong quá trình lên men

Lọc nước

Môi trường cấy trong cấy mô

Khử mùi trong chuồng trại gia súc

Vật liệu mới trong xây dựng

Điều chỉnh hơi ẩm trong không khí

Trộn than và dầu tạo hỗn hợp làm nguyên liệu sản xuất linh kiện xe hơi

Các sản phẩm đã có là:

Than bón đất

Than tấm dùng trong ngành kiến trúc

- Sau 1 phút : 50% lượng oxy bị khử

- Sau 30 phút : 75% lượng oxy bị khử

- Sau 24 h : 92% lượng oxy bị khử, than không hình thành

98% HI phản ứng xuất hiện dưới dạngphân tử I2 ether sinh ra có tỉ lệ H:C và I:C là 1.52 và 0.03 và giảm tỉ lệ O:C đến 90%

HI là chất khử mạnh có thể dùng cho quá trình chuyển hoá thành benzen hoặc cyclohexan acohol có thể chuyển hoá thành alkyliodides trong phản ưng với HI và alkyl đó sẽ lại tiếp tục phản ứng với HI tạo thành hydrocacbons

Phản ứng sinh hóa học

Lên men metan

Lên men ethanol

- Ảnh hưởng của đặc tính Biomass đối với việc lựa chọn kỹ thuật chuyển hóa:

Tùy vào thành phần hóa học, thành phần năng lượng cũng như đặc tính của từng lọai Biomass mà người ta sẽ chọn cách sử dụng khác nhau Mỗi đặc trưng riêng của từng lọai Biomass quyết định hình thức chuyển hóa của chúng hay nói cách khác, khi xem xét cách thức chuyển hóa thì ta buộc phải chú ý đến các đặc trưng trên Cụ thể như sau:

27

Bảng 1 1: Aûnh hưởng của đặc tính biomass đối với việc lựa chọn quá trình chuyển hoá

Quá trình Đặc tính

Vật lý Nhiệt Sinh hoá –

vi sinh

Hoá học

Nước

Năng lượng

Phần không cháy được

Thành phần hoá học

Họat tính cacbon

Phân tích thành phần khối lượng

Mật độ

Kích thước, phân phối kích thước

Khả năng phân huỷ sinh học

Thành phần hữu cơ

Thành phần dinh dưỡng

1.3 Các loại biomass

Phân lọai Biomass dựa vào 2 cách chính, đó là phân lọai theo hệ sản xuất và phân lọai theo hệ tài nguyên chưa sử dụng

- Theo hệ sản xuất:

Lòai sống trên mặt đất:

Nhóm thân gỗ:

Khoảng 1/3 đất trên thế giới là rừng, trong đó rừng cây lá rộng chiếm ưu thế hơn Ở các loại rừng nhiệt đới gần đường xích đạo có các loại gỗ như gỗ cây tùng bách, gỗ thông, gỗ vân sam chiếm ưu thế hơn hẳn Những loại cây này phát triển mạnh dưa trên những mục đích khác nhau của con người trong đó có 5 mục đích nổi bật là: khai thác, tập quán, tục lệ thời xưa, điều kiện tự nhiên

28

Một loại cây cũng được biết đến là cây bạch đàn có khoảng 450 – 700 loài Ở nhiều nước Nam Mỹ cây bạch đàn đã được sử dụng để sản xuất ra than, gỗ cây được cung cấp cho các nhà máy cưa, sản phẩm chưng cất từ gỗ

Hình 1 14: Tài nguyên Biomass: Rừng

Nhóm thân mềm

Cỏ là 1 nguồn biomass phong phú với khoảng 6000 loại trong tổng số 400 loài có mặt trên khắp thế giới

Cỏ có từ các nguồn gốc khác nhau như từ cây lúa mì, cây lúa gạo, cây bắp, cây mía, cây bo bo, cây kê, cây yến mạch một số cây khác như cây sậy, cỏ cứng là những nguồn biomass có thể tạo ra năng lượng

Lọai Biomass này có sức sinh trưởng và tái sinh nhanh nên có thể được sản xuất với số lượng lớn với mức ổn định lâu dài Hơn nữa, lòai này có thể thích ứng với môi trường cao đồng thời với việc dễ dàng sấy khô dưới ánh năng mặt trời Điều này cho phép chúng ta có thể trữ được chúng lâu

29

Hình 1 15: Tài nguyên Biomass - Cỏ

Nhóm cho đường:

Loài cho được đường như mía, củ cải đường…

Nhóm cho tinh bột:

Loài cho tinh bột đồng thời giàu chất xơ như: khoai tây, khoai lang, sắn…

Nhóm cho dầu:

Cung cấp chất dầu dùng trong công nghiệp và thực phẩm như dừa, cọ, cải, đậu nành, hướng dương

Sinh vật sông biển

Tảo là một loại thực vật điển hình Có khoảng 20000 loại tảo được biết đến Tảo xuất hiện ở những lớp bùn mỏng, ao

Một số tảo cũng được xem là nguồn biomass để tạo ra năng lượng như: Microcystic Pyrifera, Gracilaria Tikvahiae, Sargassum Natans…

Các thực vật ở vùng nước mặn như cây đước với sản luợng 35 tấn/ha năm, cây cỏ chỉ sản lượng 58 t/ha năm

30

- Theo hệ tài nguyên chưa sử dụng:

Biomass có nguồn gốc nông lâm thủy sản:

Biomass có nguồn gốc nông lâm thủy sản là các phụ phế phẩm của quá trình sản xuất:

Bã nông nghiệp: rác nông nghiệp trên tòan thế giới hàng năm lên đến 3,2 tỉ tấn, gồm: cỏ khô, rơm, bã mía, bắp Theo ước tính thì ít nhất một phần ba trong số này có thể được chuyển hóa thànnh năng lượng

Phân súc vật: lượng rất lớn, có thể sử dụng lên men và chuyển hóa năng lượng Phế phẩm từ họat động lâm sản như lá cây rừng, mạt cưa, dăm bào…

Biomass có nguồn gốc thải:

Chất thải sinh họat, rác tươi Rác thải đô thị

Rác bùn thải từ các hệ thống xử lý nước (có cả bùn vô cơ và hữu cơ, ở đây ta chỉ xét đến bùn hữu cơ.)

Chất thải trong công nghiệp sản xuất giấy: dung dịch đen, xơ gỗ

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, vần đề biomass đã được chú ý nghiên cứu từ khá lâu Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau:

- Nghiên cứu công nghệ khí hoá biomass: Công nghệ khí hoá biomass đã đạt được những tiến bộ rất lớn đối với các nguồn nguyên liệu khác nhau như chất thải sinh hoạt, chất thải chăn nuôi, các dạng biomass thực vật,… Với chất thải chăn nuôi, việc thực hiện quá trình khí hoá ở điều kiện nhiệt độ thường cho hiệu quả chuyển hoá cao và đã được áp dụng ở quy mô pilot, quy mô sản xuất hộ gia đình, công nghiệp Với các loại biomass khác, quá trình thử nghiệm ở quy mô pilot đã được tiến hành cho lớp tĩnh, tầng sôi Một số quy trình đã được áp dụng ở quy mô lớn

Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng: thành phần khí sản phẩm cũng như nhiệt trị của nó phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ O/C và nhiệt độ thực hiện quá trình Hiệu suất khí hoá cực đại trong giới hạn tỷ số O/C = 1,3 – 1,6 Áp suất ảnh hưởng mạnh lên quá trình khí hoá trong giới hạn nhiệt độ

- Nghiên cứu sử dụng trực tiếp biomass làm nhiên liệu cho các quá trình sản xuất điện: Theo hướng này, nhiều nước đã phát triển mô hình nhà máy điện trấu cũng như các nhà máy điện công suất nhỏ sử dụng chất thải và khí hoá từ chất thải làm nhiên liệu Đặc biệt viếp áp dụng

cơ chế phát triển sạch đang được triển khai rộng rãi sau khi Nghị định thư Kyoto có hiệu lực

- Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu từ biomas: Khác với quá trình sản xuất nhiên liệu, các hợp chất hữu cơ trong biomass được nghiên cứu theo hướng chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, sau đó tổng hợp thành vật liệu Một số nhà nghiên cứu đã thành công trong việc sản xuất các chất dẻo có khả năng tự phân huỷ và đã thử nghiệm ở quy mô pilot

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, có thể nói những nghiên cứu đầu tiên về biomass được bắt đầu trong lĩnh vực nông nghiệp

- Đã có những nghiên cứu sử dụng rơm rạ làm cơ sở để sản xuất nấm và đã đưa vào sản xuất

ở các địa phương

- Những nghiên cứu sử dụng biomass làm thức ăn cho gia súc sau khi phân huỷ bằng kiềm và lên men đã được ứng dụng trong thực tế

- Việc ứng dụng trấu làm nhiên liệu cho nhà máy điện trấu cũng đã được tiến hành ở quy mô các dự án thử nghiệm Tuy chưa chúng tỏ được hiệu quả kinh tế cao, song đây cũng là một hướng có triển vọng, cần có những nghiên cứu tiếp tục

- Việc triển khai mô hình hầm ủ gas đã được thực hiện rộng rãi ở nhiều địa phương trong cả nước

32

Việc ứng dụng các công nghệ hiện đại để xử lý biomass nhằm mục đích sản xuất năng lượng và vật liệu chỉ mới được bắt đầu trong những năm gần nay, khi vấn đề môi trường được coi trọng hơn và có sự hợp tác của cộng đồng quốc tế Theo hướng này, một số nghiên cứu đã và đang được bắt đầu tiến hành tại Trường ĐH Nông Lâm, Trương ĐH KHTN, Trường ĐH Bách Khoa- ĐHQG TP.HCM, Trường ĐH Nông nghiệp I, các viện nghiên cứu về nông nghiệp, sinh học, các sở khoa hpọc công nghệ tại nhiều địa phương …

1.5.1 Xử lý chất thải chăn nuôi:

Khoảng 80% nông dân chăn nuôi gia súc, gia cầm: trâu, bò, heo, gà… chất thải của chúng ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ con người Vấn đề đặt ra là làm sao để xử lý chất thải này để không ảnh hưởng đến môi trường và sử dụng chúng vào các mục đích khác

nhau

1.5.1.1 Tận dụng phân vật nuôi để ủ phân sinh học thu được phân hữu cơ bón cho cây trồng (phân chuồng) [1]:

Phân chuồng là loại phân do gia súc thải ra trung bình mỗi đàn gia súc nuôi nhốt trong

chuồng, sau mỗi năm có thể cung cấp một lượng phân chuồng (kể cả độn) như sau:

1.5.1.2 Sử dụng phân gia súc nuôi trùn quế để nuôi trồng thuỷ sản:

Một số ít hộ dân cũng đã sử dụng phân gia súc để nuôi trùn quế để nuôi trồng thuỷ sản nhưng chỉ một phần nhỏ lượng phân được sử dụng cho mục đích này Phân dùng để nuôi trùn

33

quế thường không được qua xử lý vì vậy khi trùn chưa phân huỷ thì sẽ gây ô nhiễm như: gây mùi hôi, ruồi muỗi phát triển, nước mưa chảy qua sẽ làm ô nhiễm nguồn nước

1.5.1.3 Sử dụng phân gia súc để sản xuất khí sinh học (biogas):

1.5.1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (Biogas) ở Việt Nam [1]:

Phong trào xây dựng các hầm biogas quy mô gia đình và các hộ chăn nuôi gia súc ở nước ta cũng được phát triển Biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt Kết quả đem lại rất tích cực cả về hiệu quả kinh tế lẫn bảo vệ môi trường

Nguồn khí biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu, do đó hậu quả chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn phần nào đã được kiểm soát Tuy nhiên, nhu cầu năng lượng ở nông thôn không chỉ dừng lại ở đó Trong thực tế, sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn hiện nay những hoạt động cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp, … có nhu cầu sử dụng rất lớn Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho nông dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân Mặt khác, việc sử dụng nguồn năng lượng này trong sản xuất và đời sống góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên môi trường

Trong việc sử dụng các loại năng lượng truyền thống ở nhiều vùng nông thôn, miền núi nước ta, củi đốt và than đá đã và đang góp phần vào việc làm giảm diện tích rừng cũng như gia tăng lượng khí CO2 vào khí quyển

Nhiều năm nay biogas đang được áp dụng thí điểm tại một vài địa phương trong cả nước và đã cho thấy những ưu điểm của nó trong các hoạt động sản xuất, sinh hoạt của người dân

Để tạo ra khí sinh học, người ta xây dựng những hầm ủ kín có đường thu khí để dễ dàng mang đi sử dụng

34

1.5.1.3.2 Những lợi thế của khí sinh vật đối với vùng nông thôn [1]:

Giải quyết vấn đề chất đốt:

Việc phát triển khí sinh vật là một con đường quan trọng để tiến tới giải quyết chất đốt ở nông thôn, đó là mối quan tâm của cộng đồng nông thôn Sử dụng biogas, một chất đốt thu được từ nguồn sinh vật đồi dào trong tự nhiên, là một nguồn thay thế cho các nguyên liệu rắn như than, củi, đã mang lại nhũng thay đổi cơ bản của lịch sử chất đốt đối với vùng nông thôn của Trung Quốc Đó là một sáng tạo kỹ thuật quan trọng không chỉ giải quyết chất đốt cho nông dân và các dân cư ở nông thôn, mà còn tiết kiệm được một lượng lớn than cho quốc gia Nó đóng vai trò rất lớn kích thích sản xuất nông nghiệp, công nghiệp mà còn tạo nên một môi trường hợp tác trong nông thôn Một lượng lao động trước nay dùng để kiếm củi và vận chuyển than, bây giờ có thể đưa vào sản xuất nông nghiệp Việc giảm nhu cầu đun củi đã tránh được nạn phá rừng Đồng tiền để mua than và nhiên liệu rắn khác có thể tiết kiệm được và giảm nhẹ gánh nặng tài chính cho người nông dân Sau khi phát triển biogas, người phụ nữ được giải phóng các việc vặt trong gia đình, có thể tham gia vào sản xuất nông nghiệp nhiều hơn

Kích thích sản xuất nông nghiệp:

Phát triển biogas là một con đường con đường quan trọng để kích thích sản xuất nông nghiệp Phân người, súc vật, chất thải thực vật, các loại lá cây đều có thể trở thành phân bón sau khi lên men qua phân huỷ ở những hầm biogas đậy kín không khí Thành phần nitơ của chúng được chuyển hoá thành amoniac dễ dàng hấp thụ hơn đối với cây trồng, như vậy cải thiện được phân bón

Biogas sự cải thiện sức khoẻ cộng đồng

Phát triển chương trình biogas cũng là con đường hiệu quả để giải quyết vấn đề phân bón và cải thiện vệ sinh môi trường, tiêu chuẩn sức khoẻ ở nông thôn Nó là biện phát để thủû tiêu các trứng giun sán, giun móc và các loại ký sinh trùng khác sống trong mọi loại phân Thu gom tất cả các phân thải của gia súc và người vào một hầm biogas là giải quyết vấn đề chất thải tốt nhất

35

Viện ký sinh trùng của nhiều nước đã công bố rằng: sau khi ủ lên men, bã thải chỉ còn rất ít trứng các ký sinh trùng sán, trung bình giảm bớt 95% Thực tế, việc ủ phân trong hầm kính và đủû thời gian Số lượng trứng sán, giun móc và các ấu trùng tìm thấy có thể giảm tới 99%

Nơi nào phát triển hầm khí sinh vật tốt, nơi đó sẽ kiểm soát có hiệu quả các bệnh về ký sinh trùng và bệng sán; vệ sinh nông thôn được biến đổi tốt hơn, người làm nông nghiệp được bảo vệ, tiêu chuẩn chung về sức khoẻ được nâng cao rõ rệt

Biogas và vấn đề cơ giới hoá nông nghiệp:

Phát triển biogas cũng có thể tạo nên một nguồn nhiên liệu mới cho việc cơ giới hoá nông nghiệp Hiện nay, một số nước, biogas được dùng với số lượng lớn không chỉ nấu ăn, thắp sáng, mà còn để kéo các máy nông nghiệp

Biogas được dùng như một loại nhiên liệu chất lượng cao để nấu ăn và thắp sáng, cũng như cơ giới hoá, điện khí hoá nông nghiệp Ta có thể nêu một thông số tổng quát để lập kế hoạch khi cần thiết Một m3 biogas thắp sáng một ngọn đèn 60W trong 6 – 7 giờ, hoặc chạy động cơ đốt trong một mã lực làm việc được 2 giờ, tương đương với năng lượng của 0.6 – 0.7 Kg xăng Nó cũng có thể sản sinh ra được 1.25kWh điện năng

Biogas có những ưu điểm như đã trình bày, song nó chưa được phát triển rộng rãi vì có những khó khăn về kỹ thuật, còn một số nhân tố xã hội, thể chế tài chính và chính sách Mọi nhân tố đó có quan hệ chặt chẽ với nhau Một nhân tố quan trọng làm cản trở việc phổ biến công nghệ hầm biogas ở các nước đang phát triển là những yếu tố liên quan đến các nguyên nhân và các kết quả của sự nghèo nàn lạc hậu

1.5.1.3.3 Quá trình sản xuất khí sinh học [1]:

Để sản xuất khí sinh học người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị khí sinh học Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học là những chất hữu cơ như phân động vật, các loại thực vật như bèo, cỏ, rơm, rạ Nguyên liệu được nạp vào thiết bị khí sinh học Thiết bị giữ kín không cho không khí lọt vào nên nguyên liệu bị phân huỷ kỵ khí và tạo ra khí sinh học

36

Việc nạp nhiên liệu được nạp theo hai cách chủ yếu sau :

Nạp theo mẻ: toàn bộ nguyên liệu được nạp đầy vào thiết bị một lần Mẻ nguyên liệu

này phân huỷ dần và cho khí sử dụng Sau một thời gian đủ để nguyên liệu phân huỷ gần hết, toàn bộ nguyên liệu được lấy ra và thay bằng một mẻ nguyên liệu mới, thời gian mỗi mẻ thường kéo dài 3 – 5 tháng

Nạp liên tục: nguyên liệu được nạp đầy lúc mới đưa thiết bị vào hoạt động Sau một

thời gian ngắn, nguyên liệu được bổ sung thường xuyên Khi đó một phần nguyên liệu đã phân huỷ được lấy ra để nhường cho phần nguyên liệu mới nạp vào Trong quá trình phân huỷ, chỉ một phần nguyên liệu được chuyển hoá thành khí sinh học, phần còn lại được lấy ra cùng với nước pha loãng gọi là bã thải

1.5.2 Xử lý chất thải trồng trọt [1]:

Hàng năm sản lượng lúa gạo nước ta thu hoạch không những đáp ứng nhu cầu của thị trường trong nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới Đi kèm với sản lượng nông nghiệp là khối lượng khá lớn phế phụ phẩm như rơm rạ, … Theo thống kê khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở nước ta hàng năm có khoảng 25 triệu tấn rơm lúa Nguồn phụ phẩm này mới được sử dụng một phần làm thức ăn cho gia súc phần lớn dùng làm chất đốt, phân bón hay bỏ lại ngoài đồng rồi đốt bỏ Rõ ràng đây là một nguồn nguyên liệu tiềm tàng có khôùi lượng lớn nếu được sử dụng có hiệu quả hơn thì nhất định sẽ thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp trong đó có công nghiệp sản xuất cồn Vì vậy, để tận dụng các nguồn nguyên liệu do ngành nông nghiệp thải ra và tạo ra một hướng mới cho việc tận dụng các phế phẩm ngành nông nghiệp hiện nay chúng ta cần phải áp dụng nền khoa học tiên tiến để điều chế các phụ phẩm nông nghiệp để trở thành nguồn nguyên liệu có ích cho con người, tránh tác động xấu đến môi trường

1.5.2.1 Sản xuất cồn [1]:

Từ lâu cồn ethylic được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, y tế như dung môi, chất chống đông, chất kháng khuẩn hay tẩy uế Ngày nay các ứng dụng của ethanol không chỉ dừng lại ở đó mà ở các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, … Đã

37

và đang nghiên cứu sản xuất cồn etylic để thay dần các nguồn nhiên liệu trong tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt Thông thường người ta dùng ngũ cốc và các củ chứa nhiều tinh bột như sắn, ngô, gạo, để sản xuất ra cồn Hiện nay một loại nguyên liệu mới đang được nhiều nhà khoa học quan tâm đó là các phế phẩm nông nghiệp giàu chất xơ như rơm lúa, cây ngô, dây lạc, dây lang, lá mía, … Quy trình công nghệ sản xuất cồn đ ược đưa ra trên hình 5 [2]

Hình 1 16: Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ rơm rạ

Ở nước ta phần đông ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và công nghiệp Tổng cộng năng suất là 25 triệu lít/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất 15000 – 30000 lít/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hòa và nhà máy rượu Bình Tây Ngoài ra còn có hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 lít/ngày Tốc độ tăng trưởng của ngành công nghệ ethanol rất chậm và mang tính tự phát, chưa có chiến lược phát triển, so với các nước trên thế giới, sản lượng ethanol của nước ta rất thấp Hiện nay các

cơ sở sản xuất ethanol đang gặp khó khăn vì hiệu suất tạo ethanol từ rỉ đường mía là 4 kg rỉ

Tiền xử lý (nổ hơi) Thủy phân Acid

Rơm rạ

Enzym Rơm rạ

Lên men Chưng cất Ethanol

38

đường mía tạo 1 lít ethanol với giá thành 9.000 đồng/lít, do đó không thể cạnh tranh với các nước láng giềng như Trung Quốc, Thái Lan

1.5.2.2 Sản xuất Gasohol:

Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5%, 10%, 20% hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ Trên thế giới hiện nay nhiều nước đã sử dụng gasohol để chạy xe cộ Brazil mỗi năm sản xuất 16 tỷ lit ethanol/năm trong đó 40% dùng để chế tạo gasohol, Mỹ 7,6 tỷ lít ethanol/năm và dùng hơn 5 tỷ lít cho việc sản xuất gasohol, tại Thái Lan 2 tỷ lít ethanol/năm và tất cả các loại xăng đưa ra thị trường đều pha thêm ethanol

Nếu sử dụng công nghệ sản xuất ethanol từ nhiều nguồn phế liệu nông nghiệp dồi dào rẻ tiền ở nước ta với hiệu suất chuyển hóa tốt và biết tận dụng sản xuất các chế phẩm sinh học từ ethanol hy vọng giá ethanol công nghiệp sẽ thấp hơn giá trên thị trường hiện nay và có thể triển khai sản xuất gasohol tại Việt Nam

39

Hình 1 17: Mô hình xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp để xây dựng thị trấn sinh thái

1.6 V ề một mơ hình thị trấn sinh thái

Tuỳ theo cách sáng tạo của mô hình, các thị trấn sinh thái được thiết kế khác nhau

nhưng phải thống nhất chung mục tiêu là: “Phát triển kinh tế - xã hội gắn với việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững” [1]

Ngoài những công trình nghiên cứu khía cạnh định lượng của phát triển bền vững, về phương pháp luận xây dựng các mô hình phát triển bền vững giữa thập niên 90 của thế kỷ

XX một số tổ chức thuộc Liên hợp quốc đã có những hoạt động hỗ trợ quá trình xây dựng hệ thống chỉ số phát triển bền vững của nước mình Để kết hợp hài hoà giữa phát triển kinh tế –

Chất thải Xử lý

Vật liệu Nhiên liệu

Cây

Khí(biogas)

Chăn nuôi Chạy động

cơ

Đun nấu

CO 2