NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ CHẤT THẢI LÀNG NGHỀ CHẾ BIẾN NÔNG SẢN SEN CHIỂU, HUYỆN PHÚC THỌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI BẰNG CÔNG NGHỆ KHÍ SINH HỌC

Nhìn chung quy mô sản xuất của làng nghề vẫn mang tính chất sản xuất nhỏ lẻ, phân tán, quy mô sản xuất theo hộ gia đình, với công nghệ sản xuất lạc hậu đã gây nhiều khó khăn trong quá tr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Mạnh Tuấn

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG

TỪ CHẤT THẢI LÀNG NGHỀ CHẾ BIẾN NÔNG SẢN SEN CHIỂU, HUYỆN PHÚC THỌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

BẰNG CÔNG NGHỆ KHÍ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể các thầy cô giáo khoa Môi trường, trường Đại học khoa học tự nhiên đã truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ bản và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành chương trình học cao học trong suốt hai năm qua

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Đình Thống đã dành nhiều thời gian trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới phòng Tài nguyên & Môi trường huyện Phúc Thọ, UBND xã Sen Chiểu, thành phố Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi tiếp cận và thu thập những thông tin, lấy mẫu phân tích cần thiết trong quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp là những người

đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Nguyễn Mạnh Tuấn

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Hiện trạng sản xuất làng nghề Sen Chiểu 3

1.1.1 Quy trình sản xuất bún 4

1.1.2 Quy trình sản xuất đậu phụ 6

1.2 Hiện trạng môi trường làng nghề 8

1.2.1 Hiện trạng môi trường nước 8

1.2.1.1 Hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt 8

1.2.1.2 Hiện trạng chất lượng môi trường nước ngầm 11

1.2.1.3 Hiện trạng chất lượng môi trường nước thải 12

1.2.2 Hiện trạng môi trường không khí 14

1.2.3 Hiện trạng thu gom chất thải rắn 15

1.3 Công nghệ khí sinh học 17

1.3.1 Tổng quan về công nghệ khí sinh học 17

1.3.2 Đặc trưng của công nghệ khí sinh học 22

1.3.3 Hiện trạng ứng dụng công nghệ khí sinh học của làng nghề Sen Chiểu 32

1.3.4 Công nghệ khí sinh học phù hợp với đặc điểm của chất thải làng nghề Sen Chiểu 36

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 38

2.2 Phương pháp nghiên cứu 38

2.2.1 Phương pháp thống kê 38

2.2.2 Phương pháp điều tra khảo sát hiện trường và lấy mẫu 39

2.2.3 Phương pháp đánh giá, phân tích 42

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Đặc điểm của nguồn chất thải làng nghề và hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học của làng nghề 47

3.1.1 Đặc điểm của nguồn chất thải làng nghề 47

3.1.2 Hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học của làng nghề 49

3.2 Tính toán đánh giá tiềm năng của khí sinh học từ nguồn chất thải làng nghề Sen Chiểu 52

3.2.1 Tiềm năng khí sinh học thu được từ các dạng chất thải làng nghề Sen Chiểu 52 3.2.2 Năng lượng sử dụng trong một ngày của một hộ gia đình sản xuất bún điển hình làng nghề Sen Chiểu 53

3.3 Đánh giá hiệu quả về kinh tế, xã hội và môi trường của công nghệ khí sinh học trong việc xử lý chất thải làng nghề 54

3.3.1 Hiệu quả về kinh tế 54

3.3.2 Hiệu quả về xã hội và môi trường 55

3.4 Đề xuất, kiến nghị về mô hình khí sinh học và giải pháp triển khai thực hiện trong quá trình xử lý nước thải làng nghề 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1.1 Đặc điểm nguồn chất thải và hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học 74

1.2 Đánh giá tiềm năng của khí sinh học từ nguồn chất thải làng nghề 75

1.3 Hiệu quả về kinh tế, xã hội và môi trường của công nghệ khí sinh học 75

1.4 Đề xuất, kiến nghị về mô hình khí sinh học và giải pháp triển khai thực hiện trong quá trình xử lý nước thải làng nghề 75

2.1 Đối với công tác nghiên cứu tiếp theo 76

2.2 Đối với công tác quy hoạch vùng sản xuất tập trung 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Số lượng hộ dân tham gia sản xuất chế biến NSTP tại làng nghề Sen

Chiểu……… 3

Bảng 1.2 : Lượng nước thải trong sản xuất bún trên 1 tấn sản phẩm… 5

Bảng 1.3: Nhu cầu sử dụng nguyên, nhiên liệu trong sản xuất bún (trên 1 tấn sản phẩm)……… 5

Bảng 1.4: Lượng nước thải trong sản xuất đậu phụ (trên 1 tấn sản phẩm)……… 7

Bảng 1.5: Nhu cầu sử dụng nguyên, nhiên liệu trong sản xuất đậu phụ (trên 1 tấn sản phẩm)……… 7

Bảng 1.6: Chất lượng nước mặt……… 9

Bảng 1.7: Chất lượng nước ngầm……… 11

Bảng 1.8: Chất lượng nước thải……… 13

Bảng 1.9: Kết quả phân tích các chỉ tiêu Không khí xung quanh………… 15

Bảng 1.10: So sánh hai dạng công nghệ khí sinh học ứng dụng tại làng nghề……… 35

Bảng 2.1: Các thông số nước mặt và phương pháp xác định 41

Bảng 2.1: Sản lượng khí metan lý thuyết từ 1 gam gluxit, protit và lipit (theo khối lượng khô) ……… 43

Bảng 2.2 Các thông số không khí xung quanh và phương pháp xác định 44

Bảng 2.3: Sản lượng khí metan lý thuyết từ 1 gam gluxit, protit và lipit (theo khối lượng khô) 45

Bảng 2.4: Sản lượng khí metan lý thuyết từ chất thải của lợn……… 45

Bảng 3.1: Thống kê lượng nước thải sản xuất chế biến nông sản thực phẩm của làng nghề Sen Chiểu theo ngày……… 48

Bảng 3.2: Thống kê lượng chất thải từ chăn nuôi lợn trong làng nghề Sen Chiểu theo ngày……… 48 Bảng 3.3: Nhiên liệu than sử dụng trong sản xuất chế biến NSTP làng nghề Sen Chiểu……… ……… 50 Bảng 3.4: So sánh năng lượng từ hai dạng nhiên liệu sử dụng chủ yếu trong làng nghề Sen Chiểu……… 51 Bảng 3.5: Tiềm năng KSH từ chất thải làng nghề Sen Chiểu……… …… 52 Bảng 3.6: So sánh mức năng lượng KSH thu được với nhu cầu năng lượng theo ngày của hộ gia đình chế biến NSTP……… 53 Bảng 3.7: So sánh các dạng nhiên liệu thông dụng được sử dụng đối với một hộ sản xuất iển hình……….……… 55 Bảng 3.8: Các thông số đầu vào của nước thải … … 61 Bảng 3.9: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể điều hòa 62 Bảng 3.10: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể UASB 63 Bảng 3.11: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể Aeroten 65 Bảng 3.12: Diện tích mặt bằng các công trình xử lý nước thải … … 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quy trình sản xuất bún trong làng nghề 4

Hình 1.2: Quy trình sản xuất đậu phụ trong làng nghề 6

Hình 1.3: Ba giai đoạn chuyển hoá chất hữu cơ tạo khí sinh học………… 23

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của bể phân hủy kị khí ……… 29

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bể ANALIFT……… 29

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bể ANAFIZ……… 31

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý bể ANAFLUX……… 31

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của bể biogas composite ứng dụng cho hộ gia đình……… 34

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của bể UASB 37

Hình 2.1: Vị trí địa điểm lấy mẫu phân tích chất lượng môi trường tại làng nghề Sen Chiểu……… 42

Hình 3.1: Đề xuất quy trình xử lý nước thải chế biến NSTP quy mô tập trung……… 61

Hình 3.2: Mạng lưới cấp khí metan trong khu sản xuất tập trung………… 73

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BOD Nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical oxygen Demand)

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

KSH Khí sinh học

NSTP Nông sản thực phẩm

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TSS Tổng lượng chất rắn lơ lửng trong nước

UASB Phương pháp xử lý bùn kỵ khí có dòng hướng lên trên (Upflow

Anaerobic Sludge Blanket) UBND Ủy ban nhân dân

XLNT Xử lý nước thải

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, sự phát triển của các làng nghề đang đóng góp phần lớn về tốc độ phát triển kinh tế đối với các làng nghề nói riêng và địa phương nơi có làng nghề nói chung Hoạt động sản xuất của làng nghề đã tạo ra một số lượng lớn các sản phẩm hàng hóa, trực tiếp tạo công ăn việc làm tại chỗ cho người địa phương Tuy nhiên, hiện nay, sự phát triển của làng nghề cũng mang lại những hệ quả xấu đối với môi trường của các làng nghề Tính đến thời điểm cuối năm 2013, theo thống kê của Hiệp hội làng nghề Việt Nam có khoảng trên 1400 làng nghề trên quy mô cả nước, trong đó có trên 300 làng nghề truyền thống có lịch sử phát triển trên nửa thế

kỷ, và 70% tổng số các làng nghề tập trung tại các tỉnh phía Bắc[3] Nhìn chung quy

mô sản xuất của làng nghề vẫn mang tính chất sản xuất nhỏ lẻ, phân tán, quy mô sản xuất theo hộ gia đình, với công nghệ sản xuất lạc hậu đã gây nhiều khó khăn trong quá trình quy hoạch xử lý và kiểm soát ô nhiễm môi trường làng nghề Theo các đánh giá hiện trạng môi trường tại các làng nghề thì hầu hết đều không đạt các tiêu chuẩn về chất lượng môi trường, trong đó nhiều làng nghề có mức độ ô nhiễm rất nghiêm trọng Nếu chúng ta không có biện pháp để cải thiện vấn đề này thì hệ quả của ô nhiễm môi trường sẽ tác động ngược trở lại sự phát triển về kinh tế của địa phương và gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người dân làng nghề và dân cư các vùng lân cận

Làng nghề Sen Chiểu, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội có truyền thống trên 40 năm với nghề làm bún và đậu phụ Nghề truyền thống này đã tạo ra nhiều công ăn việc làm, tăng thêm thu nhập của người dân so với sản xuất nông nghiệp đơn thuần Tuy nhiên, hiện nay cùng với sự phát triển về quy mô sản xuất, gia tăng

về số lượng hộ gia đình tham gia sản xuất trong làng nghề kéo theo sự ô nhiễm môi trường trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt là ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước trong khu vực làng nghề

Từ thực tiễn đó đòi hỏi phải có các biện pháp thích hợp để cải thiện ô nhiễm làng nghề với chi phí chấp nhận được với đa số người dân làng nghề, và phù hợp với tập quán sản xuất của làng nghề Một trong các giải pháp góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tăng thêm thu nhập (thông qua việc thu thêm năng lượng) đó là việc ứng dụng công nghệ khí sinh học để xử lý nước thải và sản xuất nhiên liệu Từ thực tiễn ứng dụng công nghệ khí sinh học tại làng nghề, cần thiết phải có một giải pháp giải quyết triệt để hơn đối với tình trạng ô nhiễm như hiện nay đó là giải pháp sản xuất tập trung trong đó áp dụng công nghệ kỵ khí trong xử

lý nước thải Vì vậy, Đề tài “Nghiên cứu giải pháp thu hồi năng lượng từ chất thải làng nghề sản xuất chế biến nông sản Sen Chiểu, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội bằng công nghệ khí sinh học” được xây dựng và thực hiện

II Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường làng nghề chế biến NSTP Sen Chiểu, tận dụng chất thải để sản xuất năng lượng phục vụ nhu cầu năng lượng của làng nghề bằng công nghệ KSH tập trung Đề xuất mô hình XLNT bằng phương pháp kỵ khí thu hồi năng lượng với quy mô sản xuất tập trung của làng nghề

III Nội dung nghiên cứu

Nội dung số 1: Điều tra, thống kê số hộ, quy mô sản xuất sản xuất bún và đậu phụ trong làng nghề Sen Chiểu

Nội dung số 2: Tìm hiểu mức độ áp dụng và mục đích sử dụng công nghệ KSH trong làng nghề

Nội dung số 3: Đánh giá tiềm năng KSH từ chất thải của làng nghề và so sánh với mức năng lượng từ các nguồn nhiên liệu đang được sử dụng trong làng nghề

Nội dung số 4: Đề xuất mô hình KSH tập trung

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Hiện trạng sản xuất làng nghề Sen Chiểu

Hiện nay, làng nghề Sen Chiểu hiện có khoảng 200 hộ chế biến bún, đậu phụ

và các sản phẩm khác từ gạo Trong đó các hộ sản xuất đã đầu tư máy móc thay thế các công đoạn làm bằng thủ công trước kia nhưng hầu hết trong số đó đều là máy móc cũ đã cũ kỹ và lạc hậu Các sản phẩm từ chế biến nông sản thực phẩm (NSTP)

đã mang lại cho các hộ gia đình nguồn thu nhập không nhỏ, theo thống kê của UBND xã Sen Chiểu tổng sản phẩm hàng năm đạt khoảng 30 nghìn tấn, tổng giá trị đạt khoảng 90 tỷ đồng, đóng góp vào ngân sách địa phương hơn 20 tỷ đồng (hơn 50%) trong cơ cấu ngân sách của xã, giải quyết việc làm cho khoảng 2000 lao động của địa phương và cả các vùng lân cận[11] Trong quá trình sản xuất, để tận dụng

bã thải từ chế biến nông sản, mỗi hộ gia đình thường nuôi kết hợp thêm từ 8-10 con lợn Vì thế, các nguồn chất thải từ chế biến NSTP kết hợp với chăn nuôi là rất lớn

và gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường của làng nghề đặc biệt là đối với môi trường nước

Bảng 1.1: Số lượng hộ dân tham gia sản xuất chế biến NSTP tại làng nghề Sen

(Nguồn: UBND xã Sen Chiểu, 2014)

Trong tổng số 371 hộ tham gia làm nghề có thể thấy số hộ dân sản xuất bún chiếm tỷ lệ cao nhất khoảng gần một nửa số hộ dân, ngoài ra các hộ sản xuất đậu phụ chiếm tỷ lệ nhỏ, các hộ khác tham gia vào mạng lưới phân phối sản phẩm, hoặc làm công cho các hộ sản xuất khác

Nghề sản xuất chế biến các sản phẩm từ gạo này đã đem lại nguồn thu nhập

ổn định và cao hơn nhiều so với sản xuất nông nghiệp thuần tuý Vì vậy, điều cấp thiết hiện nay đó là phải có các biện pháp để làm giảm ảnh hưởng tiêu cực từ quá trình sản xuất chế biến NSTP của làng nghề đến môi trường và cân bằng với nhu cầu phát triển kinh tế, sản xuất chế biến NSTP, tạo công ăn việc làm, thúc đẩy sự phát triển của kinh tế địa phương

1.1.1 Quy trình sản xuất bún

Với nguyên liệu là 450kg gạo sẽ sản xuất được 1 tấn bún thành phẩm được

mô tả theo sơ đồ sau:

(Nguồn: Đặng Kim Chi, 2005)

Hình 1.1: Quy trình sản xuất bún trong làng nghề

Nước thải: 3m3

Nước: 1m3

Nước: 1m3

Điện bơm nước: 750wh

Điện chạy mô tơ: 85kwh

Nước thải: 2.5m3

Vắt bún, luộc chín

Thấu bột Nước: 0,25m3

Gạo được vo sạch sau đó ngâm trong 6 giờ đồng hồ cho nở rồi đem xay thành bột Bôt được ngâm trong vòng 1-4 ngày tùy vào điều kiện thời tiết sau đó được đem đi thấu để tạo độ dẻo cho bột Các công đoạn xay, vắt, làm chín có thể được thực hiện bằng thủ công hoặc sử dụng máy móc (sử dụng máy ép sợi: Bún được làm chín bằng hơi được cung cấp từ hệ thống ống dẫn đến băng chuyền) sau

đó được làm lạnh để tạo thành bún thành phẩm[1]

Dòng nước thải từ quá trình sản xuất bún gồm nước vo gạo, nước ngâm gạo,

từ ủ chua, làm chín và làm nguội Thực chất nước thải từ công đoạn vo gạo ban đầu được tái sử dụng làm thức ăn cho gia súc Vì thế, căn cứ vào bảng 1 cho thấy nước thải từ quá trình sản xuất sẽ vào khoảng 8,5m3/tấn sản phẩm

Bảng 1.2 : Lượng nước thải trong sản xuất bún trên 1 tấn sản phẩm:

STT Công đoạn sản xuất Mức nước thải (m 3 ) Tỷ lệ Phương án đề xuất xử lý

Từ sơ đồ quy trình sản xuất bún ta có thể thấy rằng: Sản xuất bún không phát sinh chất thải rắn, lượng khí thải phát sinh ít (sử dụng 120kg than/tấn sản phẩm); Nước thải từ sản xuất bún thải ra lượng nước lớn (hơn 8,5m3/tấn sản phẩm), có nồng độ chất ô nhiễm cao (COD lên đến hơn 5000mg/l nước thải) do đó dễ bị phân huỷ sinh học Nếu lượng nước thải này không được xử lý mà thải trực tiếp ra môi trường, vượt quá khả năng phân huỷ, đồng hoá của các vi sinh vật từ đó sẽ gây ra tình trạng ô nhiễm Trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong nước sẽ sản sinh ra mùi hôi thối nồng nặc rất khó chịu

1.1.2 Quy trình sản xuất đậu phụ

Với 1 tấn nguyên liệu sẽ sản xuất được 3,2 tấn đậu thành phẩm theo sơ đồ mô

tả như sau:

(Nguồn: Đặng Kim Chi, 2005)

Hình 1.2: Quy trình sản xuất đậu phụ trong làng nghề

Điện chạy môtơ: 37,5kWh

Điện bơm nước: 1750Wh

Xay

Lọc, tách bã Bã đậu: 2 tấn

(nước chiếm 89%) Điện: 375kWh

Đun sôi Xỉ than: 8kg Than: 80kg

Đánh giấm Nước chua: 0,3m3

Lắng đậu, tách nước Nước thải: 2m3

Đóng khuôn, ép Nước thải: 1m3

Cắt Đậu thành phẩm

Trong thực tế, công nghệ sản xuất đậu phụ khá đơn giản, dễ thực hiện vì thế sản xuất đậu phụ rất phổ biến ở quy mô hộ gia đình và có mặt hầu khắp các địa phương trong nước Sản phẩm làm ra tại mỗi địa phương hay mỗi hộ gia đình có chất lượng sản phẩm khá khác biệt

Hầu hết các công đoạn sản xuất đậu phụ đều được cơ giới hóa: Đỗ tương sau khi đãi sạch, ngâm cho trương lên rồi được đưa sang công đoạn xay ướt, bột lỏng sau đó xay ướt và lọc bằng túi vải để tách phần bã đậu Nước đậu sau khi lọc được nấu chín, sản phẩm là sữa đậu nành được đưa sang công đoạn đánh giấm chua, tách phần óc đậu đưa vào ép khuôn tạo thành đậu phụ thành phẩm[1]

Bảng 1.4: Lượng nước thải trong sản xuất đậu phụ (trên 1 tấn sản phẩm)

STT Công đoạn sản xuất Mức nước thải (m 3 ) Tỷ lệ Phương án đề xuất xử lý

(Nguồn: Đặng Kim Chi, 2005)

Từ sơ đồ quy trình sản xuất đậu phụ cho thấy, quá trình sản xuất đậu phụ thải

ra lượng chất thải rắn lớn (khoảng 2 tấn bã thải/3,2 tấn sản phẩm), lượng bã thải từ sản xuất đậu phụ được các hộ gia đình tận dụng lại làm thức ăn cho chăn nuôi Vì

vậy, trong thực tế không có phát sinh lượng chất thải rắn trong quá trình sản xuất chế biến đậu phụ; Lượng nước thải từ quá trình sản xuất đậu không lớn (khoảng 1,52m3/tấn sản phẩm) và chứa hàm lượng chất hữu cơ lớn và gây ô nhiễm đối với môi trường nếu không qua xử lý

1.2 Hiện trạng môi trường làng nghề

Xã Sen Chiểu, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội là xã trọng điểm chế biến bún, đậu phụ và các sản phẩm từ nông sản khác cung cấp cho vùng huyện và các huyện, thị xung quanh Năm 2004, Sen Chiểu được công nhận là làng nghề truyền thống[11]

Làng nghề chế biến NSTP Sen Chiểu là một trong những loại hình sản xuất thực phẩm lâu đời, sản xuất theo quy mô hộ gia đình và phân tán trong khu dân cư

Sự phát triển của làng nghề chế biến NSTP theo cách tự phát, mở rộng tùy tiện, không theo quy hoạch và trình độ kỹ thuật thấp Việc sản xuất nhỏ lẻ dẫn đến khó đổi mới về công nghệ, khó quản lý, hiệu quả kinh tế không cao và lượng chất thải lớn gây ra các vấn đề ô nhiễm môi trường

Hiện nay, theo kết quả báo cáo của UBND xã Sen Chiểu cho thấy một bộ phận người dân có mắc các bệnh về tai - mũi - họng, hô hấp và tiêu hoá (chiếm khoảng 20% số dân làng nghề đã mắc phải)[11] Nguyên nhân của các bệnh này là

do vấn đề ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của người dân

1.2.1 Hiện trạng môi trường nước

1.2.1.1 Hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt

Xã Sen Chiểu đã có hệ thống đường cống rãnh dùng để tiêu thoát nước cho

cả nước thải sản xuất thực phẩm, sinh hoạt và chất thải chăn nuôi, lượng nước thải sinh hoạt chưa được xử lý, một số hộ gia đình trong làng nghề có áp dụng biogas để

xử lý nước thải và chất thải chăn nuôi nhưng chưa phổ biến Mặc dù đã được xây dựng kết nối với hệ thống thoát nước vào các kênh dẫn tương đối hợp lý nhưng không được tu bổ, nạo vét thường xuyên nên nhiều đoạn cống rãnh bị lấp bởi rác,

nhiều chỗ bị ứ tắc cục bộ, hệ thống cống rãnh không có nắp đậy, một số nơi bề rộng cống rãnh nhỏ Vì vậy vào ngày mưa có những đoạn gây úng ngập, ngày nắng thì bốc mùi hôi thối khó chịu Vào mùa sản xuất do nhu cầu nhiều nên công suất sản xuất tăng lên có thể dẫn đến tình trạng quá tải và gây tràn nước ra lòng lề đường giao thông

Với các nguồn nước ao, hồ, sông trong xã được sử dụng làm nơi chứa các loại nước thải sản xuất, sinh hoạt, chăn nuôi chưa qua xử lý, thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận Các ao hồ không có sự trao đổi nước với bên ngoài, khả năng tự làm sạch kém, hàm lượng chất ô nhiễm cao (thể hiện trong bảng kết quả phân tích) vượt ngưỡng chịu tải của ao hồ, các thông số COD, BOD, NH4+, TSS, Coliform…vượt nhiều lần cho phép theo quy chuẩn QCVN 08/2008-BTNMT Mặt khác do hàm lượng chất ô nhiễm vượt nhiều lần đã làm nhiều loại động thực vật trong các ao hồ bị chết và suy giảm đa dạng loài

Ngoài ra, các hoạt động nông nghiệp cũng ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước mặt, việc sử dụng phân bón hóa học trong nông nghiệp, thuốc bảo vệ thực vật

đã tạo nên một dư lượng lớn chất ô nhiễm thải vào môi trường nước mặt, khi hàm lượng các chất tăng cao có thể gây chết các loài động vật, sinh vật sống ở các tầng nước mặt, các loại rau, quả được trồng trọt và tưới tiêu bằng nước kênh mương, ao

hồ, bị ô nhiễm và có thể là nguồn gây nhiễm độc cho người dân

Bảng 1.6: Chất lượng nước mặt

TT Thông số TN Đơn vị

Kết quả phân tích QCVN

08:2008 /BTNMT Cột B1

So sánh mức độ ô nhiễm với QCVN 08/2008 Cột B1

1 NM1 Kênh Mương Đầm dẫn nước tưới

o8’58,55’’ N , 105o31’35,32’’ E

2 NM2 Kênh Mương Nội đồng 21o8’52,95’’ N , 105o31’33,99’’ E

3 NM3 Nước trong hồ tại ngã 3 cụm 6 21o8’58,66’’ N, 105o31’21,12’’E

Nhận xét : Từ các kết quả phân tích trên cho ta thấy chất lượng môi trường

nước mặt (ao, hồ, kênh dẫn) ở Sen Chiểu chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao: Hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu cao hơn giới hạn cho phép nhiều lần như COD cao hơn từ 9-10 lần, BOD cao hơn 10-12 lần, Coliform cao hơn 2-3 lần theo quy định tại QCVN 08/2008/BTNMT cột B1 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt tại làng nghề Sen Chiểu chủ yếu đến từ các hoạt động sản xuất chế biến NSTP thải ra lượng nước thải chưa qua xử lý vào môi trường nước dẫn đến tình trạng ô nhiễm nặng nguồn nước mặt Nước mặt bị ô nhiễm cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn nước ngầm tại khu vực này, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt của các hộ dân Mà nguồn nước ngầm lại là nguồn nước sinh hoạt chủ yếu của các

hộ dân làng nghề sử dụng Ta có thể dự báo nếu quy mô sản xuất tăng thì lưu lượng nước xả thải trong khu vực làng nghề ngày càng nhiều dẫn đến chất lượng nước mặt

ngày càng bị ô nhiễm hơn, vì vậy cần có định hướng quy hoạch các hộ sản xuất, chăn nuôi ra khu vực riêng biệt đồng thời có các biện pháp thích hợp để tiến hành

xử lý nước thải sản xuất CBTP trước khi xả thải ra môi trường để giảm mức độ ô nhiễm đến môi trường nước mặt như hiện nay

1.2.1.2 Hiện trạng chất lượng môi trường nước ngầm

Bảng 1.7: Chất lượng nước ngầm

TT Thông số TN Đơn vị Kết quả phân tích QCVN

09-2008/BTNMT

So sánh với QCVN 09/2008/BTNMT

ttTT

Ký hiệu

1 NN1 Hộ dân Phùng Văn Sinh,

Nhận xét: Kết quả phân tích cho thấy đa số các chỉ tiêu trong nước ngầm

chưa vượt quá giới hạn, riêng chỉ tiêu NH4+ đã vượt tiêu chuẩn 6 lần theo QCVN 09:2008/BTNMT Nguyên nhân khiến nguồn nước ngầm bị nhiễm amoni là do các hợp chất chứa nitơ có trong chất thải trong sinh hoạt và hoạt động sản xuất, chăn nuôi thải ra môi trường Dưới tác động của các vi sinh vật, chúng chuyển hóa thành amoni (NH4-) Amoni nhờ nước mưa dần thẩm thấu qua đất, ngấm vào các mạch nước ngầm và tồn tại ở dưới cho đến khi được khai thác

Thực tế, các hộ dân trong làng nghề sử dụng nước sinh hoạt theo cách truyền thống bằng phương pháp bơm nước ngầm sau đó cho chảy qua bể lọc 3 lớp: Cát, sỏi, đá(hoặc than hoạt tính) Cuối cùng nước thành phẩm mới đưa vào sử dụng và sản xuất, tuy nhiên chất lượng nước sinh hoạt cũng chưa đạt tiêu chuẩn đối với

nước cấp

1.2.1.3 Hiện trạng chất lượng môi trường nước thải

Làng nghề với tính chất ngành chế biến NSTP là ngành có nhu cầu dùng tới lượng nước lớn, sử dụng nguyên liệu chủ yếu là gạo và đậu tương làm để chế biến thành các sản phẩm: Bún, đậu phụ,… Vì vậy, nước thải chủ yếu từ công đoạn chế biến NSTP sau đó được thải trực tiếp ra môi trường hoặc được một số hộ xử lý qua

hệ thống biogas hộ gia đình Ngoài ra, các hộ dân thường nuôi lợn kết hợp chế biến thực phẩm để tận dụng nguồn chất thải từ sản xuất chế biến NSTP

Bảng 1.8: Chất lượng nước thải

quả PT

QCVN 40:2011/BTNMT Loại B1

So sánh với QCVN 08/2008 Loại B1

1 NT1 Nước thải sản xuất của hộ ông

Phùng Văn Sinh, Cụm 11 21

o9’00,6’’ N, 105o31’31,9’’ E

Nhận xét: Nước thải sản xuất sau khi phân tích đã vượt quy chuẩn QCVN

08:2008/BTNMT rất nhiều lần như: COD gấp khoảng 35 lần, BOD5 gấp 47 lần, Coliform gấp khoảng 7 lần, nồng độ pH thấp hơn tiêu chuẩn cho phép Như vậy, nước thải sản xuất chế biến NSTP của làng nghề rất giàu các chất hữu cơ và dễ phân huỷ bởi các vi sinh vật Vì vậy, nếu nước thải không được xử lý mà thải thẳng ra môi trường sẽ gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng trong làng nghề

Hiện nay, để xử lý nước thải chế biến NSTP, có một số hộ dân trong làng nghề đã xây dựng thiết bị biogas để xử lý nước thải và kết hợp với xử lý chất thải trong chăn nuôi

1.2.2 Hiện trạng môi trường không khí

Với làng nghề sản xuất chế biến thực phẩm nói chung và làng nghề CBTP Sen Chiểu nói riêng, nguồn gây ô nhiễm điển hình nhất là từ các chất hữu cơ dạng rắn và chất hữu cơ tồn đọng trong nước thải bị phân hủy yếm khí tạo ra các mùi hôi thối nồng nặc khó chịu Các mùi hôi gây ra chủ yếu gồm các khí như: H2S, CH4,

NH3… được tạo ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ Ngoài ra trong khi sản xuất chế biến NSTP cần cung cấp một lượng nhiệt lớn để đun nấu và sản xuất, do vậy các hộ sản xuất đã sử dụng một lượng lớn nhiên liệu chất đốt chủ yếu là than, củi cho các công đoạn sản xuất và thải vào không khí các khí như: CO, CO2, SO2,

NO2… Do vậy đối với những hộ sản xuất chế biến NSTP có sử dụng nhiên liệu than

để sản xuất sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của người lao động

Việc sử dụng chất đốt trong nông nghiệp và giao thông cũng ảnh hưởng đến môi trường không khí và tiếng ồn, tuy nhiên theo ghi nhận thì ô nhiễm tiếng ồn ở xã Sen Chiểu chưa vượt quá giới hạn cho phép trong quy chuẩn 26:2010/BTNMT Việc phát sinh khói bụi trong sản xuất nông nghiệp (do tình trạng đốt rơm rạ làm phân bón trong nông nghiệp) có xảy ra, nhưng mang tính tức thời vào các thời điểm thu hoạch theo mùa vụ, theo ghi nhận tại thời điểm lấy mẫu thì hàm lượng bụi trong không khí không vượt quá quy chuẩn QCVN 05:2009/BTNMT

Các nguồn gây ô nhiễm không khí hiện tại ở làng nghề là những nguồn phát sinh nhỏ lẻ và phân tán (các bếp lò sản xuất của các hộ dân) vì thế khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp đối với người dân là tại các bếp đun này Theo thông số quan trắc không khí tại các điểm tại ngã tư và khu vực trung tâm làng nghề thì chất lượng không khí đo được tại bảng 1.9 đều chưa vượt quá giới hạn trong quy chuẩn QCVN 05:2009/BTNMT

Bảng 1.9: Kết quả phân tích các chỉ tiêu Không khí xung quanh

TT Thông số Đơn vị

Kết quả phân tích

QCVN 05:2009/BTNM

T

So sánh với QCVN 05/2009

sử dụng than trong sản xuất bằng dạng nhiên liệu khác ít gây ô nhiễm hơn là góp

phần giảm thải khí độc ô nhiễm khu vực sản xuất và giảm lượng chất thải rắn(xỉ than) sau xử dụng

1.2.3 Hiện trạng thu gom chất thải rắn

Hiện nay với tổng lượng rác thải trung bình năm khoảng 2.570 tấn, trong đó

có khoảng hơn 200 tấn là bã thải từ quá trình sản xuất đậu phụ, bã đậu được tận thu

để làm thức ăn gia súc, một lượng nhỏ do chất lượng kém được chất đống ven đường

đi, đổ ra các bãi rác công cộng, thậm chí có thể chảy theo dòng nước thải đổ ra các kênh mương chung của xã gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng hơn, dễ gây tắc nghẽn các cống rãnh, kênh mương vào thời gian sản xuất cao điểm

Khối lượng rác thải sinh hoạt và từ các hoạt động khác (thương mại, sinh hoạt, dịch vụ,…) với gần 800 tấn mỗi năm (trung bình khoảng 2,2 tấn/ngày) Lượng rác thải sinh hoạt được chuyển phần lớn ra bãi rác chung Song, việc thu gom rác do tổ vệ sinh của xã tiến hành chỉ với tần suất 2 - 3 ngày 1 lần, thậm chí còn lâu hơn, cũng có thể do việc thu gom chưa triệt để nên một lượng rác không nhỏ vận được thải bừa bãi ven đường

đi, khu tập kết rác thải… gây ùn ứ, ô nhiễm môi trường

Chất thải chăn nuôi, một phần được gia đình thu gom làm phân bón, hoặc xử

lý biogas, số còn lại được xả trực tiếp ra hệ thống cống rãnh chung

ô nhiễm cho môi trường làng nghề

1.3 Công nghệ khí sinh học

1.3.1 Tổng quan về công nghệ khí sinh học

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ dưới tác động của quần thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) trong môi trường không có ôxi được gọi là quá trình phân huỷ kỵ khí (yếm khí) Sản phẩm thu được từ quá trình này là một hỗn hợp khí cháy bao gồm khoảng: 60% khí metan (CH4), 30% khí cacbonic (CO2) và 10% hỗn hợp các khí khác (hidro H2, nitơ N2, ôxi O2, sunfuahidro H2S, )[5] Quá trình này còn được gọi là quá trình lên men metan và quần thể vi sinh vật ở trên được gọi là các vi sinh vật metan

1.3.1.1 Nguồn gốc của khí sinh học

a Khí sinh học trong thiên nhiên (Khí đầm lầy, khí thiên nhiên, khí mỏ)

Dưới sâu những lớp nước không tồn tại ôxi hoà tan, các sinh vật khi chết đi

sẽ trải qua quá trình phân huỷ kị khí và sinh ra các bọt khí Các bọt khí sau khi sinh

ra được giữ lại dưới các lớp khoáng vật dần dần tạo thành các mỏ khí thiên nhiên Hiện tượng này thường xảy ra ở các hồ ao nước đọng và các đầm lầy do có đủ các điều kiện tạo thành khí sinh học (KSH) Hàm lượng metan trong khí đầm lầy dao động mạnh trong khoảng từ 25%-84%[5]

Khí đầm lầy trải qua nhiều thời kỳ địa chất và bị nhốt trong lòng đất từ đây tạo thành các mỏ khí thiên nhiên có hàm lượng metan rất cao, thường cao trên 90%[5] Qua những biến đổi địa chất, hoặc quá trình hoạt động của núi lửa tạo ra những vết nứt địa chất, khí thiên nhiên được giải phóng ra và bốc cháy tạo thành dòng lửa bốc cháy dữ dội

Ngày nay, khí thiên nhiên được con người khai thác ở quy mô công nghiệp

và được sử dụng cung cấp nhiên liệu trong nhiều ngành kinh tế khác Tại Việt Nam

đã phát hiện được nguồn khí thiên nhiên ở khu vực Đồng bằng sông Hồng, tại Thái Bình đã đi vào khai thác phục vụ sản xuất điện năng và làm nhiên liệu đốt cho ngành công nghiệp gốm, sứ, thuỷ tinh,

Khí metan cũng tồn tại trong thành phần của khí dầu mỏ còn gọi là khí đồng hành (vào khoảng 30-40%)[5] Trong các mỏ dầu, các khí này một phần tách thành

lớp khí phía trên lớp dầu mỏ, một phần hoà tan trong dầu Dầu mỏ cũng là sản phẩm của sự phân huỷ chậm xác của các loài sinh vật bị vùi sâu dưới các lớp đất, ở đây dầu thấm vào các lớp đất xốp trong một vùng rộng lớn, tạo thành túi dầu Túi dầu gồm 3 lớp chính như sau: Lớp khí dầu mỏ phía trên thường có áp suất lớn; Lớp dầu lỏng ở giữa; Và lớp nước mặn ở dưới cùng[5]

Than đá cũng là sản phẩm của quá trình phân huỷ khị khí xác động thực vật tích tụ với khối lượng lớn bị chôn vùi dưới lòng đất, xảy ra trong nhiều thời kỳ địa chất khác nhau Trong các lớp than đá được hình thành cũng có hỗn hợp khí mà thành phần chủ yếu là khí metan Đây cũng là nguyên nhân gây ra các vụ nổ hầm khai thác than trên thế giới

b Khí sinh học nhân tạo:

Để sản xuất KSH người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị sản xuất KSH gọi tắt là thiết bị KSH Nhiên liệu để sản xuất KSH là các chất hữu cơ như: Phân động vật, các loại thực vật (bèo, cỏ, rơm, rạ, ), các chất hữu cơ (rác thải sinh hoạt hữu cơ, bùn cống), nước thải công nghiệp (đường mía, đồ hộp, rau quả, thuỷ sản, giết mổ, chế biến tinh bột, giấy, cao su, dược phẩm, ) Những nguyên liệu này được nạp vào thiết bị KSH Từ thiết bị KSH này tạo ra điều kiện thuận lợi để vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ có trong chất thải và sản sinh ra KSH

Trong quá trình phân huỷ, chỉ một phần nguyên liệu được chuyển hoá thành KSH, phần còn lại không phân huỷ hết được gọi là phụ phẩm KSH

1.3.1.2 Tình hình phát triển công nghệ khí sinh học trên thế giới

Quá trình phân huỷ kỵ khí đã được phát triển từ một kỹ thuật biến đổi sinh khối tương đối đơn giản với mục đích để sản xuất năng lượng đã trở thành một hệ thống đa chức năng được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau:

- Xử lý các chất thải hữu cơ và nước thải với phạm vi tải lượng hữu cơ và nồng độ cơ chất rộng

- Sản xuất và sử dụng năng lượng

- Cải thiện vệ sinh, giảm mùi hôi thối

- Sản xuất phân bón chất lượng cao

KSH sản sinh ra được sử dụng vào các mục đích như:

- Sản xuất nhiệt hoặc hơi

- Sản xuất điện hoặc điện kết hợp với nhiệt

- Nguồn năng lượng cung cấp nhiệt, hơi, cấp điện, làm mát

- Nhiên liệu cho các loại phương tiện giao thông

- Sản xuất hoá chất

- Pin nhiên liệu

Ban đầu các hoạt động nghiên cứu là nghiên cứu cơ bản về quá trình phân huỷ kỵ khí của các cơ chất tương đối đồng nhất với hàm lượng chất hữu cơ trong giới hạn khoảng 5-10%, sang nghiên cứu sự phân huỷ của những nguyên liệu có mức độ phức tạp hơn đòi hỏi phải có những kiểu bể phân huỷ cải tiến hiệu quả hơn trong xử lý[5]

Công nghệ KSH đã phát triển rộng rãi trên thế giới từ các nước phát triển (Đức, Đan Mạch, Pháp ) cho tới những nước đang phát triển (Trung Quốc, Ấn Độ, ) với đa mục đích và đa chức năng tuỳ theo nhu cầu sử dụng

Những bể xử lý nhỏ, truyền thống được áp dụng trên quy mô hộ gia đình sử dụng nhiều ở các nước đang phát triển Những công trình lớn hơn cỡ trung bình và lớn được sử dụng trong các trang trại có quy mô lớn với nguồn nguyên liệu dồi dào Các công trình này được nâng cấp lên thành nhà máy có chức năng phân huỷ kỵ khí các nguồn chất thải như: Chất thải của các động vật được chăn nuôi trong trang trại, phụ phẩm cây trồng, chất thải của lò mổ, chất thải của công nghiệp chế biến lương thực, bùn cống, rác thải hữu cơ của các hộ gia đình sau khi đã phân loại KSH được sản xuất từ các nhà máy ở quy mô công nghiệp này được lọc sạch (hàm lượng metan có thể đạt đến 97%) đưa vào hệ thống cấp khí thiên nhiên cung cấp cho các

hộ gia đình sử dụng Mạng lưới này rất phát triển ở các nước Châu Âu nhất là tại Đan Mạch, nước có nền nông nghiệp phát triển sạch[5]

Đức là nước dẫn đầu thế giới về công nghệ KSH Công nghệ của Đức đã được xuất khẩu sang nhiều nước châu Âu và châu Á KSH được sản xuất ra để cung cấp cho các nhà máy phát điện với các công suất: 20, 150, 200 và 500kW

Năm 2006: Ở Đức đã có 820 công trình KSH được xây dựng mới nâng tổng số công trình KSH nông nghiệp lên 3700 công trình và Đức là nhà sản xuất năng lượng từ KSH số 1 thế giới Năm 2007, sản lượng điện KSH của cả Châu Âu vào khoảng 17.272 GWh, trong đó Đức chiếm 42,5% tương đương với 7338 GWh KSH tạo ra điện chiếm 1,2% sản lượng điện của Đức hàng năm, chiếm gần 10% năng lượng tái tạo Năm 2007, sản lượng điện KSH là 22400 GWh trong đó 49%

từ bãi rác và 51% từ các nhà máy KSH thương mại và nông nghiệp[5] Thành tựu này của Đức có được là nhờ chính sách phát triển và khuyến khích năng lượng tái tạo rất hiệu quả Luật năng lượng tái tạo của Đức tạo ra môi trường thương mại cạnh tranh thuận lợi, trong đó ưu tiên phát triển năng lượng tái tạo Luật quy định giá mua điện cho các công ty phân phối trong 20 năm[8] Giá có tính đến tính chất sạch của điện và thưởng cho các nhà sản xuất dựa theo tiêu chuẩn về hiệu suất, đổi mới công nghệ và hướng về nông nghiệp Sự khuyến khích của nhà nước cộng hưởng với nền công nghiệp hiện đại đã làm cho nước Đức là một trong số ít các quốc gia trên thế giới có công nghệ KSH tiên tiến hàng đầu

Đan Mạch là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực xây dựng các nhà máy phân huỷ kỵ khí tập trung có khả năng xử lý tổng hợp các nguồn chất thải như: Chất thải của các động vật được chăn nuôi trong trang trại, phụ phẩm nông nghiệp, chất thải của lò mổ, chất thải của công nghiệp chế biến lương thực, bùn cống, rác thải hữu cơ của các hộ gia đình sau khi đã phân loại Các nhà máy này có chức năng rất quan trọng trong việc đảm bảo vệ sinh môi trường của các khu dân cư, các gia đình sống phân tán, mặt khác còn cung cấp một nguồn năng lượng đáng kể đối với những khu vực này

Tại Thuỵ Điển đã tiến hành làm sạch KSH (lọc bỏ tạp chất và hơi nước) dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông từ những năm 90 của thế kỷ

XX, đặc biệt đối với phương tiện xe buýt công cộng Năm 2007, 50% số phương tiện giao thông chạy bằng KSH là trên đất nước Thuỵ Điển[5]

Trung Quốc là nước đi sau trong công nghệ KSH trên thế giới, vì vậy việc áp dụng và phát triển công nghệ KSH tại đây theo chiều rộng và đại trà:

- Phát triển theo hướng hộ gia đình: Công trình có quy mô nhỏ 6-10m3 và phát triển theo xu hướng nông nghiệp sinh thái trong đó công nghệ KSH giữ vai trò liên kết Ví dụ như mô hình ba kết hợp gồm các thành phần: Đất trồng trọt, khu chăn nuôi và nhà vệ sinh gắn với thiết bị KSH Hoặc mô hình bốn kết hợp thêm thành phần nhà kính so với mô hình ba kết hợp Nhà kính là bộ khung cơ bản là cấu trúc chính của mô hình Thiết bị công nghệ KSH, chuồng nuôi gia súc, gia cầm, đất trồng trọt được đặt bên trong nhà kính

- Phát triển theo hướng các công trình trung bình và lớn: Các công trình có chức năng xử lý chất thải trong các trang trại chăn nuôi, lò mổ tập trung, nhà máy bia, rượu, đường, dược phẩm

- Phát triển theo hướng xử lý nước thải sinh hoạt trong các thành phố: Là một trong những công trình qua trọng trong việc bảo vệ môi trường sống khu dân cư

Tại Ấn Độ, Uỷ ban công nghiệp nông thôn (KVIC) là một tổ chức được chính phủ tài trợ đã có nhiều đóng góp cho sự phát triển của công nghệ KSH ở Ấn

Độ Từ đầu những năm 80 của thế kỷ XX, Bộ Các nguồn năng lượng phi truyền thống đã khuyến khích trong nước xây dựng các công trình KSH quy mô hộ gia đình thông qua các chương trình và trợ giá xây dựng và bảo dưỡng công trình, công tác tuyên truyền, huấn luyện, hoạt động của các trung tâm kỹ thuật và các tổ chức triển khai tại địa phương Việc ứng dụng toàn diện công nghệ KSH đối với đối tượng hộ gia đình ở Ấn Độ chưa phát triển mạnh như Trung Quốc Quá trình đưa công nghệ KSH áp dụng vào các ngành khác cũng khá chậm chạp Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý chất thải, nước thải các công trình KSH còn tương đối ít, trong khi đó công nghệ được áp dụng tại đây được cung cấp bởi các nhà cung cấp nước ngoài

1.3.1.2 Tình hình phát triển công nghệ khí sinh học tại Việt Nam

Công nghệ KSH ở Việt Nam đã được biết đến từ những năm 1960 Lịch sử phát triển của công nghệ KSH có thể chia ra làm 5 thời kỳ[5]:

- Thời kỳ 1960 - 1975: Tại miền Bắc, một số cá nhân và tổ chức đã xây thử một số công trình ở vài nơi như Hà Nội, Bắc Thái, Hà Nam Ninh, Hải Hưng (năm

1964 tại Bắc Thái, đã xây dựng Xưởng phát điện mêtan đầu tiên của Việt Nam),

nhưng đều bị ngừng hoạt động sau một thời gian ngắn vì lý do về kỹ thuật và quản

lý

Miền Nam: Năm 1960, Nha Khảo cứu Nông lâm súc - Chính quyền Sài Gòn

đã nghiên cứu sản xuất khí mê tan từ phân động vật, nhưng không ứng dụng triển khai được vì khí hóa lỏng và phân bón vô cơ được nhập khẩu ồ ạt trong thời gian đó Từ cuối năm 60 đến đầu những năm 70, công nghệ KSH gần như bị lãng quên

- Thời kỳ 1976 - 1980: Nhiều viện nghiên cứu, Ban Khoa học kỹ thuật và nhiều tổ chức, cá nhân cũng đã tiến hành thiết kế xây dựng, nhưng kết quả đạt được rất hạn chế

- Thời kỳ 1981 - 1990: Điển hình là việc hợp tác quốc tế về nghiên cứu, triển khai công nghệ KSH với các tổ chức nước ngoài như: Viện Sinh lý Sinh hóa Vi sinh vật (Liên Xô cũ), Tổ chức OXFAM (Anh quốc), UNICEF (Liên hợp quốc), ACCT (Tổ chức các nước nói tiếng Pháp), SIDA (Thụy Điển)

- Thời kỳ 1991 - 2002: Trong giai đoạn này, sự phát triển của công nghệ KSH tại Việt Nam là tự phát, và nhỏ lẻ do không có tổ chức đầu mối và quản lý chất lượng công trình KSH

- Thời kỳ 2003 - đến nay: Là thời kỳ công nghệ KSH được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam trên nhiều lĩnh vực: Nông nghiệp, công nghiệp, chất thải đô thị, nông thôn với nhiều quy mô từ nhỏ đến quy mô lớn và đạt được những thành công nhất định

1.3.2 Đặc trưng của công nghệ khí sinh học

1.3.2.1 Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo

ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên, quá trình này

có thể chia làm ba giai đoạn gồm: Giai đoạn thuỷ phân và lên men, gia đoạn sinh axit và giai đoạn sinh metan Căn cứ vào ba giai đoạn này của quá trình phân huỷ kỵ khí, người ta đã ứng dụng công nghệ tách pha để nâng cao hiệu suất sinh học, nhằm

làm tăng hiệu suất sinh khí bằng phương pháp phân tách từng giai đoạn với các điều kiện sinh học tối ưu nhất

Hình 1.3: Ba giai đoạn chuyển hoá chất hữu cơ tạo khí sinh học[5]

a Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân và lên men

Là giai đoạn đầu tiên của sự chuyển hoá hợp chất cao phân tử (polymer) thành các chất đơn phân tử (monomer) Thuỷ phân là phản ứng phân huỷ một liên kết hoá học bằng cách thêm vào một phân tử nước Lên men là quá trình phân huỷ

kỵ khí do các vi sinh vật thực hiện quá trình này, mà khởi đầu lá quá trình đường phân và kết thúc là sự chuyển hoá axit piruvic thành rượu hoặc axit lactic Hiện tượng lên men dùng để chỉ phương thức chuyển hoá bằng thuỷ phân các chất hữu

cơ mà cơ thể sống và các tế bào sử dụng để tạo ra năng lượng hoá học dưới dạng ATP nhưng không có mặt oxi

Các polysacarit bị thuỷ phân thành monosacarit và tiếp tục chuyển hoá thành axit pyruvic Protein bị thuỷ phân thành các amino axit, và sau đó lại chuyển hoá thành axit hữu cơ và amoniac Tiếp theo, các axit hữu cơ này lại được phân huỷ thành axit hữu cơ đơn giản hơn: Axit propionic, axit axetic, axit butyric, các axit

Monosacarit Peptit,

Aminoaxit, amin

Axetat + H2 + CO2

Propionat, Butyrat

Polisacarit Protein Lipit

Este, axit béo, rượu

Giai đoạn 1

Giai đoạn 2

CH4 + CO2+ H2O

Giai đoạn 3

béo mạch dài, ethanol (rượu etyl) Lipit bị thuỷ phân thành glyxerol (loại rượu đơn giản nhất) và các axit béo

Xenluloza có nhiều trong thân cây và phân trâu bò, lợn Xenluloza thường kết hợp với licnin và hemixenluloza để tạo ra cấu trúc sợi gỗ phức tạp mà vi khuẩn cũng không dễ phân huỷ Vì vậy, tốc độ phân huỷ xenluloza là mấu chốt để tăng tốc

độ sinh KSH Một hệ men xenluloza phức hợp do vi khuẩn phân huỷ xenluloza được sinh ra để phân huỷ hợp chất này

Hemixenluloza là cơ chất quan trọng để lên men KSH, dễ được vi khuẩn sử dụng Để phân huỷ hợp chất này cần có một nhóm hỗn hợp hệ men phức hợp do cấu trúc và sự hình thành phức tạp của hemixenluloza

Tinh bột là một loại polime được hình thành bởi các đơn vị đường glucoza với hai loại mạch thẳng và mạch vòng Tinh bột sẽ bị thuỷ phân thành glucoza bởi các men phân huỷ

Protein là một hợp chất có cấu trúc phức tạp, với 20 loại axit amin khác nhau được liên kết bằng chuỗi peptit Có hai loại protein: Protein đơn giản chỉ gồm các axit amin và protein tiếp hợp gồm cả axit amin và các gốc hữu cơ và vô cơ Vi khuẩn sử dụng protein như sau: Vi khuẩn tiết ra men proteinaza ngoại bào để phân huỷ protein thành các peptit mạch ngắn (polipeptid và olipolipeptit) Các peptit này tiếp tục bị phân huỷ thành axit amin bởi men peptidaza ngoại bào hoặc xâm nhập ngay tế bào và bị phân huỷ thành axit amin Một phần amino axit được vi khuẩn sử dụng, một phần bị khử amin tạo thành các axit bay hơi, axit isopropionic, axit valeric, và các axit thơm khác nhau, amoni, sunphit, cacbonic, Polypeptit, axit amin và amoni đều là nguồn nito tốt cho các loại vi khuẩn và chúng có thể chuyển hoá thành protein trong quá trình lên men sinh học Đối với bể phân huỷ bình thường, nếu thiếu protein cũng không bị ảnh hưởng nhiều Nếu quá trình khử amin quá mạnh, hàm lượng amoni quá cao quá trình phân huỷ kỵ khí bị ức chế đó là hiện tượng nhiễm độc

Lipit tạo thành bởi glyxerol, axit béo và một số hợp chất khác và được liên kết bằng liên kết béo hoặc ete Lipit gồm hai loại đơn giản và phức tạp Loại đơn

giản bao gồm axit béo và rượu, loại phức tạp gồm phosphatit và glycolipit Chất béo, glyxerol bị thuỷ phân sẽ tiếp tục chuyển hoá thành phosphoglyxeraldehyt và sau đó thành axit pyvuric và tham gia vào quá trình dị hoá pyvurat

b Giai đoạn 2: Giai đoạn sinh hidro và axit

Là giai đoạn trung gian của quá trình tạo KSH Các chất được tạo ra trong giai đoạn 1: Axit propionic, axit butyric, axit lactic, axit béo mạch dài, rượu, sẽ được chuyển hoá tiếp tục thành axit axetic và hidro Trong quá trình này, cũng tạo

ra cacbonic, các sản phẩm trung gian cũng có thể trở thành cơ chất ban đầu Các monosacarit được chuyển hoá thành các axetat, peptit, axit béo, amino axit, amit, este, sinh ra trong giai đoạn thuỷ phân và lên men được chuyển hoá thành hidro

và axit axetic

c Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh metan

Các phân tử H2 và CO2 kết hợp với than tạo ra khí metan (CH4) và quá trình lên men các axit và rượu càng tạo thêm nhiều khí metan

1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản sinh khí sinh học

Quá trình phân huỷ kỵ khí hay lên men metan là quá trình diễn ra phức tạp Tham gia vào quá trình này, có hàng trăm loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và không bắt buộc Chúng có thể tiến hành phân huỷ cơ chất ở ba mức nhiệt độ khác nhau: Sinh vật ưa lạnh (từ 10-15oC), Sinh vật ưa ấm (từ 30-45oC), Sinh vật ưa nhiệt cao (từ 45oC trở lên) Thời gian lên men diễn ra khá dài cùng với các điêu kiện tối ưu và nhiệt độ từ 45-55oC thời gian lên men cũng diễn ra khoảng 10-15 ngày, với nhiệt độ thấp hơn thời gian lên men có thể kéo dài hàng tháng[5]

Các vi khuẩn tham gia vào quá trình này được chia làm hai nhóm: Nhóm vi khuẩn sinh metan và Nhóm vi khuẩn không sinh metan

Nhóm vi khuẩn sinh metan tham gia vào ba giai đoạn chuyển hoá sinh hoá trong suốt quá trình tạo KSH là một quần hệ các vi khuẩn gồm hai nhóm có chức năng khác nhau và hoạt động tương hỗ lẫn nhau chia thành: Nhóm vi khuẩn không sinh metan (gồm: Vi khuẩn thuỷ phân, lên men và vi khuẩn sinh Hidro và axit), nhóm vi khuẩn metan

Nhóm vi khuẩn không sinh metan có chức năng chuyển hoá các chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản, gồm các vi khuẩn lên men, tạo hidro và axetat Nhóm này bao gồm: Vi khuẩn, nấm, protozoa trong đó nhóm vi khuẩn có vai trò quan trọng nhất trong quá trình tạo KSH

a Môi trường kỵ khí

Quá trình lên men KSH tạo ra khí sinh học có thành phần chủ yếu là metan

và các chất khí khác do hoạt động phân huỷ của các vi sinh vật kỵ khí tạo ra Trong

số những vi sinh vật này, vi khuẩn sinh metan là quan trọng nhất Sự có mặt của oxi

sẽ ức chế hoạt động của các vi khuẩn này thậm chí có thể tiêu diệt chúng Vì thế, người ta phải đảm bảo môi trường kỵ khí tuyệt đối trong môi trường lên men Sự có mặt của oxi hoà tan trong môi trường lên men là yếu tố không có lợi trong quá trình sinh khí metan

b Nhiệt độ

Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 45oC, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 45oC Nhiệt độ tối ưu là 35oC cho vùng thứ nhất và 55oC cho vùng thứ hai[2]

Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt độ, biên độ nhiệt độ thay đổi cho phép là

10oC trong mỗi ngày Nhiệt độ dưới 10oC làm vi khuẩn hoạt động kém và KSH sẽ không được sinh ra hoặc rất ít Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 32o là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí methane[2]

c Độ pH

Mỗi loại vi khuẩn đều có giới hạn pH sinh trưởng (cực tiểu, cực đại và tối thích) vì vậy chúng được chia thành nhiều nhóm như: Ưa pH trung bình (6,5-7,5),

ưa kiềm, chịu kiềm, ưa axit, chịu axit[2]

Độ pH rất quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane

Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7 Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm dần[2]

d Độ ẩm

Các vi khuẩn tham gia vào quá trình tạo KSH đều thuộc loại ưa nước Do vậy, nếu thiếu nước, nước trong tế bào vi khuẩn sẽ bị loại ra, trao đổi chất bị suy giảm và tế bào sẽ chết dẫn đến suy giảm khả năng sinh KSH

e Đặc tính của nguyên liệu

Hàm lượng chất khô: Quá trình phân giải chất hữu cơ sinh khí metan xảy ra thuận lợi nhất khi nguyên liệu có hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7-9% Đối với bèo tây hàm lượng này là 4-5%, rơm rạ là 5-8% Nguyên liệu ban đầu có hàm lượng chất khô cao hơn tối ưu nên khi nạp vào thiết bị KSH cần pha thêm nước Tỷ

lệ pha loãng thích hợp là 1-3 lít cho 1kg chất thải tươi[2]

Tỷ lệ cacbon và nitơ của nguyên liệu: Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học chủ yếu là cacbon, hidro, nitơ, phôtpho và lưu huỳnh Tỷ

lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân giải của vi khuẩn Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon nhiều nitơ khoảng 30 lần[2] Nếu tỷ

lệ này quá cao thì quá trình phân giải xảy ra chậm, nếu tỷ lệ quá thấp thì quá trình phân giải ngừng trệ vì tích luỹ quá nhiều amoniac (NH4) là chất gây độc đối với vi khuẩn ở nồng độ cao

Chất thải của trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp với yêu cầu trên Chất thải của người và gia cầm có tỷ lệ C/N thấp Các nguyên liệu nguồn gốc thực vật thì tỷ lệ C/N cao, thực vật càng già thì tỷ lệ này càng lớn Để đảm bảo tỷ lệ C/N

thích hợp, người ta thường trộn hỗn hợp nhiều loại nguyên liệu để đạt được tỷ lệ C/N tối ưu

f Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị KSH Thời gian nguyên liệu ở trong thiết bị là khoảng thời gian phân huỷ tạo ra KSH Trong chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày Một lượng nguyên liệu mới được nạp vào thay thế chỗ của nguyên liệu cũ dần đẩy nguyên liệu cũ ra ống thoát

g Các độc tố

Hoạt động của vi khuẩn bị hạn chế hoặc bị tiêu diệt bởi các độc tố có trong môi trường phân huỷ kỵ khí Khi hàm lượng các độc tố này vượt quá ngưỡng nhất định sẽ tiêu diệt các vi khuẩn kỵ khí Vì vậy, sự có mặt của các chất này là có hại cho quá trình phân huỷ kỵ khí Các độc tố đối với vi khuẩn kỵ khí phổ biến đó là: Nước xà phòng, chất tẩy rửa, thuốc nhuộm, dầu nhờn, các loại thuốc bảo vệ thực vật, các loại thuốc sát trùng, kháng sinh,

1.3.2.3 Thiết bị khí sinh học tại Việt Nam

a Phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng

Phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng được sử dụng khá phổ biến tại Việt Nam, là quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn và được thực hiện trong công trình gọi là bể metan

Các công trình này đều dựa trên phương thức phân hủy kị khí sinh metan của các vi sinh vật lơ lửng có trong nước thải Thiết kế cho các công trình có sự khác biệt nhau từ quá trình đưa nước thải vào thiết bị cho đến các phương thức gia nhiệt

và thiết kế

Thiết bị khí sinh học đơn giản được áp dụng cho nhu cầu dân sinh tại các hộ gia đình tại Việt Nam có thiết kế đơn giản xây bằng gạch, hoặc bằng chất liệu composite để xử lý chất thải trong chăn nuôi và các loại phế phẩm khác Ứng dụng này hiện nay khá phổ biến để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm và thu KSH để sử dụng làm nhiên liệu đốt

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của bể phân hủy kị khí

Trong công nghiệp, để đẩy nhanh quá trình phân hủy kị khí, người ta sẽ thiết

kế cho các thiết bị KSH có các bộ phận gia nhiệt, cánh khuấy, hoặc thiết kế dòng nước thải hướng lên để tăng tiếp xúc của vi sinh vật với chất hữu cơ có trong nước thải đạt hiệu suất cao hơn và giảm tải cho các bước xử lý kế tiếp Một số thiết bị KSH với phương pháp tiếp xúc lơ lửng được giới thiệu như sau:

- Bể lên men có thiết bị trộn và bể lắng riêng: (ANALIFT)

1.Nước thải vào; 2.Nước sau xử lý; 3.Bùn dư; 4.Tuần hoàn bùn; 5.KSH; 6.Cánh khuấy; 7.Loại khí; 8 Lắng

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bể ANALIFT[7]

Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hoàn Giữa 2 thiết bị chính có một thiết bị loại khí để loại bỏ khí tắc trong các cục bùn vón Các cục bùn vón này ảnh hưởng đến quá trình lắng của bùn Với hai bể phản ứng và lắng riêng biệt cho phép phản ứng ở các bể độc lập

và có thể chuyển bùn liên thông từ 2 bể và ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng nước thải do đó dễ dàng bảo trì và khởi động

- Bể xử lý nước thải ở lớp bùn kị khí với dòng hướng lên: (UASB)

Phần này chi tiết được giới thiệu tại phần 1.3.4.1 Mục tiêu của công nghệ khí sinh học áp dụng

Bể UASB có sự cải tiến so với ANALIFT bởi dòng nước thải đầu vào được bơm hướng từ dưới đáy bể tạo dòng nước hướng lên trong bể tăng tiếp xúc của vi sinh vật với chất thải và đẩy mạnh quá trình phân hủy kị khí Có thể xử lý bùn dư tuần hoàn từ công trình hiếu khí phía sau Có thiết kế và vận hành ít phức tạp hơn

so với công nghệ kỵ khí với sinh trưởng gắn kết

b Phương pháp kị khí với sinh trưởng gắn kết

Đây là phương pháp xử lý kị khí nước thải dựa trên sinh trưởng dính bám với

vi khuẩn kị khí trên các giá mang Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kị khí và lọc với lớp vật liệu trương nở, được dùng để xử lý nước thải chứa các chất cacbon hữu cơ Quá trình này cũng được dùng để khử nitrat

- Lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ: (ANAFIZ)

Phương pháp này lớp vi sinh vật phát triển thành màng mỏng trên vật liệu làm giá mang bằng chất dẻo, có dòng nước thải chảy qua

Vật liệu có thể là chất dẻo ở dạng tấm sắp xếp hay là vật liệu rời hoặc hạt như các hạt polyspiren có đường kính từ 3-5mm, chiều dày lớp vật liệu là 2m Lọc

kị khí là một tháp chứa đầy các loại vật liệu rắn khác nhau dùng để khử các chất hữu cơ cacbon có trong nước thải Nước thải được đưa từ dưới và lọc hướng lên trên để tiếp xúc với các loại vật liệu Trên mặt các vật liệu có các loại vi sinh vật kị khí dính bám và tùy tiện phát triển thành màng mỏng Lớp màng này không bị rưar trôi và có thể tồn tại lên đến 100 ngày và ngắn hơn nếu thời gian lưu nước ngắn

1.Nước thải vào; 2.Nước sau xử lý; 3.Tuần hoàn; 4 Đến bể chứa; 5.Tháo rửa

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bể ANAFIZ[7]

Lọc kị khí thích hợp với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp với nhiệt độ thích hợp Bùn cặn được giữ lại tại các khe rỗng của lớp lọc Sau 2-3 tháng rửa bùn

1 lần, thau rửa lọc

- Lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở: (ANAFLUX)

1.Nước thải đầu vào; 2.Nước sau xử lý; 3.Bùn lỏng; 4.Tuần hoàn của Biolife; 5.KSH

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý bể ANAFLUX[7]