Nghiên cứu thu hồi khí sinh học từ xử lý nước thải chăn nuôi trên địa bàn huyện Hòa Vang thành phố Đà Nẵng nhằm tiết kiệm năng lượng bảo vệ môi trường

Việt Nam là nước phát triển nông nghiệp là chủ yếu, vì thế hàng năm chúng ta thải ra môi trường hàng triệu tấn chất thải trong chế biến nông lâm, thủy hải sản,chăn nuôi,… Đây chính là ng

Chương 1 MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốcgia Năng lượng là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân

và cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác,

có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa, xãhội

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngànhCông nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh Cùng với sự biến đổi khíhậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng nhằm đáp ứngnhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng thiên nhiên dần cạnkiệt đang dẫn tới tình trạng khủng hoảng về năng lượng trên toàn thế giới

Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển năng lượng tái tạoluôn được ưu tiên chú trọng, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia

Việt Nam là nước phát triển nông nghiệp là chủ yếu, vì thế hàng năm chúng

ta thải ra môi trường hàng triệu tấn chất thải trong chế biến nông lâm, thủy hải sản,chăn nuôi,… Đây chính là nguồn nguyên liệu sạch sản xuất năng lượng sinh khốiphục vụ sản xuất, đời sống sinh hoạt của người dân cũng như bảo vệ môi trường

Ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải và sản xuất khí sinh học từ

chất thải chăn nuôi là một biện pháp hữu ích hiện nay Vì vậy, chọn đề tài “Nghiên cứu thu hồi khí sinh học từ xử lý nước thải chăn nuôi trên địa bàn huyện Hòa Vang thành phố Đà Nẵng nhằm tiết kiệm năng lượng bảo vệ môi trường”

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu đề xuất giải pháp thu hồi khí sinh học từ xử lý nước thải chănnuôi, tận dụng chất thải để sản xuất năng lượng phục vụ nhu cầu sinh hoạt cảungười dân Đề xuất mô hình XLNT thu hồi năng lượng với quy mô sản xuất hộ giađình.

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung số 1: Điều tra, thống kê số hộ, quy mô chăn nuôi trên địa bànhuyện Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng

Nội dung số 2: Đánh giá tiềm năng thu hồi khí sinh học sử dụng trong đờisống người dân

Nội dung số 3: Đề xuất mô hình Khí sinh học hộ gia đình

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là năng lượng khí

sinh học

Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài là huyện Hòa Vang,

Thành phố Đà Nẵng

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

2.1.1 Đặc điểm tự nhiên.

Vị trí địa lý: Hòa Vang là một huyện ngoại thành bao bọc phía Tây của

Thành phố Đà Nẵng Toàn huyện có diện tích đất tự nhiên là 736.91 km2 Trong

đó, đât nông nghiệp là 599.73 km2, chiêm 81,38%

Dân số là 120,698 người, mật độ trung bình 164 người/km2 (số liệu thống kêtháng 12/2011) Gôm 11 đơn vị hành chính trực thuộc Trong đó Hòa Châu, HòaPhước, Hòa Tiên là 3 xã đồng bằng, Hòa Phong, Hòa Khương, Hòa Nhơn, HòaSơn, Hòa Liên là các xã trung du và 3 xã miên núi là Hòa Phú, Hòa Ninh, HòaBắc

Điều kiện tự nhiên:

+ Địa hình: Trải rộng cả ba vùng đồi núi, trung du, đồng bằng Địa hìnhnghiêng từ Tây sang Đông, có nhiêu đồi núi, cao nhất là đỉnh Bà Nà (1.847m) Địahình có nhiêu đồi dốc lớn bị chia cắt bởi hai sông là Sông Cu Đê và Sông Yên

+ Khí hậu: Hòa Vang là một vùng mang đặc thù khí hậu duyên hải NamTrung bộ, nhiệt đới gió mùa, lượng bức xạ dồi dào, nắng nhiều (hơn 2260 giờnắng/năm), nhiệt độ cao

+ Nguồn nước, thủy văn: Trên địa bàn có hai con sông chính chảy qua đó làS.Cu Đê và S Yên Ngoài ra còn một số khe, mương, ao hồ tạo nên nguồn nướcngọt cho sinh hoạt và tưới tiêu khoảng 2,33 tỉ m3/năm

+ Thổ nhưỡng: tổng diện tích đất tự nhiên là 70.734ha, đã đưa vào khai thác

và sử dụng hơn 80% diện tích Trên địa bàn huyện có nhiều loại đất khác nhau nhưđất phù sa, đất đỏ vàng, đất phèn, đất xám bạc màu, đất đen,…

+ Tài nguyên rừng, thảm thực vật : Nông nghiệp giữ vai trò chủ lực, vẫn làngành kinh tế quan trọng nhất với tổng giá trị đóng góp hàng năm trên 30% tổnggiá trị kinh tế huyện và thu hút khoảng 65% lao động của toàn huyện.

2.1.2 Đặc điểm xã hội

Dân sô và mật độ dân số: Tổng số dân trên địa bàn huyện là 120,698 người,mật độ trung bình 164người/km2 Người dân sống chủ yêu tập trung ở các xã đồngbằng và trung du có mật độ dân số cao Có nơi mật độ trung bình lên đến 1,615người/km2 như Hòa Phước, cao gấp 10 lần so với mật độ trung bình của huyện.Các xã miền núi thì ngược lại, diện tích đất rộng lớn nhưng mật độ dân cư sinhsống thưa thớt, Hòa Phú mật độ 11 người/km2

Lao động và việc làm: Nguồn lao động của huyện Hòa Vang dồi dào 66.236lao động/120.698 người (dân số toàn huyện); chiếm 54,88% Tỉ lệ người dân trong

độ tuổi lao động ở các xã xấp xĩ bằng nhau và trên 50% số dân trong xã

Thu nhập bình quân 13,8 triệu đồng/người/năm (năm 2011), thu nhập cơ bảnđáp ứng được nhu cầu cuôc sống của người dân

2.2 Tổng quan về hiện trạng phát triển nông nghiệp huyện Hòa Vang

2.2.1 Tình hình tăng trưởng kinh tế nông nghiệp

Bảng 2.6: Giá trị sản xuất ngành nông nghiệp Huyện Hòa Vang giai đoạn2006-2011

ĐVT: Triệu đồng

Nông nghiệp 253,500 267,600 280,800 295,300 311,700 324,200Trong đó

Trồng trọt 214,200 221,800 223,400 241,500 252,200 258,700Chăn nuôi 23,500 27,000 27,600 31,300 35,000 39,400Dịch vụ NN 15,800 18,800 19,800 22,500 24,500 26,100

Nguồn: Phòng NN&PTNT huyện Hòa Vang.

Tổng giá trị ngành nông nghiệp toàn huyện năm 2006 là 253.5 tỷ đồng, tăngđều qua các năm, đến năm 2011 là 324.2 tỷ đồng Trong tổng giá trị sản xuất nôngnghiệp, ngành trồng trọt đóng góp chủ yếu

Nhìn chung ngành trồng trọt đóng vai trò chủ đạo trong kinh tế nông nghiệptrên địa bàn huyện Ngành chăn nuôi dần trở thành ngành đem lại thu nhập ổn địnhcho người nông dân Ngành dịch vụ trong nông nghiệp cũng chưa phát triển mạnh,giá trị kinh tế đem lại trong nội bộ ngành nông nghiệp từ dịch vụ chưa nhiều Phảikhẳng định rằng dịch vụ nông nghệp trên địa bàn huyện chưa đáp ứng đủ nhu cầusản xuất của ngành nông nghiệp

Kinh tế nông nghiệp trên địa bàn huyện Hòa Vang có bước tăng trưởng khá.Giá trị đóng góp của ngành nông nghiệp trong tổng giá trị GDP toàn huyện trên30% Tỷ trọng đóng góp tuy giảm nhưng tổng giá trị tuyệt đối vẫn tăng đều qua cácnăm

Sản xuất nông nghiệp vẫn là ngành kinh tế chủ đạo của huyện, việc quantâm đầu tư cho phát triển nông nghiệp theo hướng bền vững được chú trọng, chấtlượng nông sản tăng lên, khả năng cạnh tranh trên thị trường ngày càng lớn, quy

mô sản xuất ngày càng tập trung, xuất hiện nhiều mô hình kinh tế HTX, trang trạimới với nhiều hình thức, quy mô và chất lượng, hiệu quả năng suất cao.

Trong sản xuất nông nghiệp đã có kế hoạch quản lý khai thác, sử dụng tiếtkiệm các nguồn tài nguyên đất, nước, đem lại hiệu quả kinh tế cao, và chú trọngtrong bảo vệ môi trường sống ở nông thôn [1]

2.2.2 Tình hình phát triển ngành chăn nuôi

Đàn trâu, bò năm 2006 là 13,478 con đến năm 2011 là 15,430 con Số lượngđàn trâu, bò trên địa bàn huyện còn khiêm tốn, giá trị thu được từ đàn trâu, bò chưacao

Tổng số đàn lợn năm 2011 là 78,770 con, tăng cao so với 2011 là 62,910con Số lượng đàn lợn tăng qua các năm

Gia cầm chưa phát triển mạnh và tăng đều qua các năm Năm 2006 là257,988 con đến năm 2011 là 238,874 con Các hộ dân nuôi gia cầm quy mô lớnngày càng tăng, nhất là nuôi gà thả vườn, vịt cỏ và cuốc lấy trứng, đây là nhữngmặt hang mà thị trường rất chuộng đem lại giá trị kinh tế cho người chăn nuôi [1]

2.3Tổng quan về khí sinh học

2.3.1 Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học là loại năng lượng có nguồn gốc từ các sinh vật, baogồm năng lượng sinh khối, nhiên liệu sinh học và khí sinh học Năng lượng sinhhọc có thể được tạo ra từ nhiều loại sản phẩm nông nghiệp khác nhau như thân,cành, vỏ, quả cây, các sản phẩm dư thừa khi chế biến nông, lâm sản, gỗ củi, rácthải, phân gia súc và bã phế thải hữu cơ công nghiệp [6]

Nhiên liệu sinh khối là vật liệu hữu cơ dự trữ năng lượng ánh sáng mặt trờidưới dạng năng lượng hoá học Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được

giải phóng dưới dạng nhiệt Việt Nam là nước thuộc vùng nhiệt đới ẩm, có sự đadạng về điều kiện khí hậu và đất đai cho các loại cây trồng cung cấp nguyên liệucho sản xuất cồn nhiên liệu như lúa, ngô, sắn, khoai lang, mía Về nguyên liệu chếbiến dầu sinh học, Việt Nam có thể trồng được các loại cây như: đậu tương, lạc,cây trẩu, cây sở, cây dầu mè (Jatropha), dừa và mỡ cá basa, cá tra có hàm lượngdầu, chất béo cao Đặc biệt các loại cây như cây sở, cây dầu mè có thể trồng được

ở những vùng có khí hậu khắc nghiệt như khô hạn, đất cằn cỗi, rất phù hợp với cáctỉnh miền Trung và các vùng trung du miền núi

Việt Nam đã khởi công xây dựng 4 nhà máy sản xuất Etanol từ tinh bột sắn,công suất mỗi nhà máy 100 triệu lít cồn một năm Như vậy, là quá nhỏ so với tiềmnăng của nước ta Mặt khác, do nhiều nguyên nhân mà mỗi năm có hàng chục triệutấn phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, thân cây ngô, đậu, v.v.) chưa được chútrọng khai thác mà bị đốt tại nhiều vùng nông thôn gây ô nhiễm môi trường khuvực

2.3.2 Khí sinh học

Khí sinh học hay Biogas là một hỗn hợp khí methane(CH4) và một số khíkhác phát sinh từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ Methane cũng là khí tạo ra hiệuứng nhà kính gấp 21 lần so với khí cacbonic(CO2)

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

là các vi sinh vật methane [7]

Sơ đồ quá trình lên men khí methane:

2.4 Hiện trạng sử dụng khí sinh học trên thế giới

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, ẤnĐộ, ) 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 sửdụng nhiều ở các nước đang phát triển Những công trình lớn hơn cỡ trung bình vàlớn được sử dụng trong các trang trại có quy mô lớn với nguồn nguyên liệu dồidào 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 trongtrang trại, phụ phẩm cây trồng, chất thải của lò mổ, chất thải của công nghiệp chếbiến lương thực, bùn cống, rác thải hữu cơ của các hộ gia đình sau khi đã phânloại KSH được sản xuất từ các nhà máy ở quy mô công nghiệp này được lọc sạch

(hàm lượng methane có thể đạt đến 97%) đưa vào hệ thống cấp khí thiên nhiêncung cấp cho các hộ gia đình sử dụng Mạng lưới này rất phát triển ở các nướcChâu Âu nhất là tại Đan Mạch, nước có nền nông nghiệp phát triển sạch [2]

Đức là nước dẫn đầu thế giới về công nghệ KSH Công nghệ của Đức đãđược xuất khẩu sang nhiều nước châu Âu và châu Á KSH được sản xuất ra đểcung 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 sốcông trình KSH nông nghiệp lên 3700 công trình và Đức là nhà sản xuất nănglượng từ KSH số 1 thế giới [2]

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 củacác 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 cơcủa các hộ gia đình sau khi đã phân loại Các nhà máy này có chức năng rất quantrọng trong việc đảm bảo vệ sinh môi trường của các khu dân cư, các gia đình sốngphân tán, mặt khác còn cung cấp một nguồn năng lượng đáng kể đối với nhữngkhu 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 phươngtiện giao thông chạy bằng KSH là trên đất nước Thuỵ Điển [2]

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 Thườngphát triển theo ba hướng là hướng hộ gia đình (theo hướng nông nghiệp sinh tháitrong đó công nghệ KSH giữ vai trò liên kết), hướng các công trình trung bình và

lớn (trong các trang trại chăn nuôi, lò mổ tập trung, nhà máy bia, rượu, đường,dược phẩm) và hướng xử lý nước thải sinh hoạt trong các thành phố

Tại Ấn Độ, việc ứng dụng toàn diện công nghệ KSH đối với đối tượng hộgia đình ở Ấn Độ chưa phát triển mạnh như Trung Quốc Quá trình đưa công nghệKSH 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 nghệđược áp dụng tại đây được cung cấp bởi các nhà cung cấp nước ngoài

2.5 Hiện trạng sử dụng khí sinh học ở Việt Nam

2.5.1 Đặc điểm chung

Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất khí sinh học là ao bùn, phế liệu, phếthải trong sản xuất nông lâm nghiệp và các hoạt động sống, sản xuất và chế biếnnông lâm sản Phân động vật và các chất thải rắn như rơm rạ thích hợp chp lên men

kị khí Vi sinh vật thường hay sử dụng nguồn hữu cơ cacbon nhanh hơn sử dụngnito khoảng 30 lần Do vậy nguyên liệu có tỉ lệ C/N là 30/1 sẽ thích hợp nhất cholên men kị khí

Trong thực tế người ta thường đảm bảo tỉ lệ trên trong khoảng 20 – 40 Phângia súc có tỉ lệ C/N trong giới hạn này, nên rất thích hợp là nguyên liệu chủ yếusản xuất biogas

Bảng Khả năng cho phân và thành phần hoá học của gia súc,gia cầm [3] Vật nuôi Khả năng cho phân của Thành phần hóa học

500kg vật nuôi/ngày (% khối lượng phân tươi)Thể tích

(m3)

Trọng lượngtươi (kg)

Bảng Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí [3]

Nguyên liệu Sản lượng khí

2.5.2 Khí sinh học từ xử lý nước thải chăn nuôi tại Việt Nam

Hơn 80% dân số Việt Nam sống ở nông thôn nên nguồn khí biogas đượcxem là rất dồi dào Đây là vấn đề quan trọng trong việc tiết kiệm nguồn năng lượngdầu mỏ hiện nay Tuy nhiên giá thành biogas còn cao hơn so với nhiên liệu từ dầu

mỏ và vấn đề cơ sở hạ tầng nên biogas vẫn chưa được sản xuất theo quy mô lớn

mà chỉ mới áp dụng theo mô hình nhà dân chăn nuôi kết hợp sản xuất biogas

Ước tính trên cả nước có chừng 35000 hầm biogas phục vụ trong hộ gia đìnhvới sản lượng 500-1000 m3 khí/ năm/ hầm

Công nghệ KSH trong những năm qua chủ yếu phát triển ở quy mô gia đình.Hiện nay chưa có thống kê chính xác nhưng theo đánh giá của chương trình mụctiêu quốc gia Nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn thì hiện có khoảng 7%chuồng trại chăn nuôi có xử lý chất thải (mục tiêu đề ra là 30%) Kết quả tổng điều

tra nông thôn, nông nghiệp & thuỷ sản 2001 cho biết tổng số hộ chăn nuôi trên 11triệu Tạm lấy con số này thì ước tính hiện nay có khoảng trên 770 nghìn chuồngtrại chăn nuôi có xử lý chất thải Riêng Dự án hỗ trợ chương trình Khí sinh học chongành chăn nuôi do Cục Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp và PTNT chủ trì, Hà Lantài trợ trong giai đoạn 2003 – 2005 đã xây dựng được 18 nghìn công trình KSH giađình [2]

Hàng năm nước ta có thể sản xuất 4.844 triệu m3 khí sinh học từ phụ phẩmnông nghiệp và chất thải chăn nuôi, tương đương với hơn 2 triệu tấn dầu; khí sinhhọc mới chỉ được sử dụng làm nhiên liệu đun nấu cho dân cư nông thôn, phần cònlại thải ra môi trường

Tổng tiềm năng lý thuyết từ nguồn nguyên liệu chính là phụ phẩm nôngnghiệp và chất thải chăn nuôi

Bảng Tiềm năng lý thuyết KSH từ phụ phẩm nông nghiệp [4]

Nguồn nguyên liệu Tiềm năng