Nghiên cứu đánh giá tiềm năng đa lợi ích của giải pháp xử lý chất thải chăn nuôi lợn tập trung bằng công nghệ biogas tại một số địa phương khu vực bắc bộ và bắc trung bộ việt nam

Kết quả tính toán tổng lợi ích tiềm năng của việc áp dụng biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn tại các trang trại .... Tuy nhiên, nghiên cứu đánh giá tổng hợp các lợi ích của giải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-~~~ -NGUYỄN THỊ QUỲNH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ĐA LỢI ÍCH

CỦA GIẢI PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI LỢN TẬP TRUNG BẰNG CÔNG NGHỆ BIOGAS TẠI MỘT SỐ ĐỊA PHƯƠNG KHU VỰC BẮC BỘ VÀ BẮC TRUNG BỘ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội –2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-~~~ -NGUYỄN THỊ QUỲNH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ĐA LỢI ÍCH

CỦA GIẢI PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI LỢN TẬP TRUNG BẰNG CÔNG NGHỆ BIOGAS TẠI MỘT SỐ ĐỊA PHƯƠNG KHU VỰC BẮC BỘ VÀ BẮC TRUNG BỘ VIỆT NAM

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của đề tài

khoa học công nghệ cấp Nhà nước “Nghiên cứu, đánh giá tiềm năng lợi ích kép về môi trường của các hoạt động ứng phó với biến đổi khí hậu ở Việt Nam” do TS Đỗ

Nam Thắng làm chủ nhiệm đề tài, mà trong đó tôi là thành viên chính tham gia và

đã trực tiếp thực hiện Các kết quả trình bày trong luận án này đảm bảo trung thực

và được Viện Khoa học Môi trường, Tổng cục Môi trường, đơn vị chủ trì đề tài, chophép sử dụng

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Quỳnh Hương

Tôi xin gửi lời tri ân tới quý Thầy, Cô giáo bộ môn Quản lý môi trường cùngtoàn thể các thầy, cô giáo trong và ngoài Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoahọc Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình họctập Trân trọng cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã động viên tôi trong quá trình thựchiện luận án.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ, Gia đình tôi và những ngườithân đã luôn là nguồn động viên, ủng hộ, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện để tôi hoànthành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và học tập

Hà Nội, ngàytháng

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Quỳnh Hương

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan về phát triển ngành chăn nuôi lợn và các vấn đề môi trường 6

1.1.1 Phát triển ngành chăn nuôi lợn trên thế giới 6

1.1.2 Phát triển ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam 8

1.1.3 Các vấn đề môi trường trong ngành chăn nuôi 10

1.2 Tổng quan về công nghệ biogas 13

1.2.1 Công nghệ biogas 13

1.2.2 Nguyên vật liệu cho các quá trình sinh khí biogas 18

1.2.3 Các giải pháp kỹ thuật và vận hành đối với các công trình biogas 19

1.2.4 Thực trạng áp dụng công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi tại Việt Nam 22

1.2.5 Tác động môi trường của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn 24

1.3 Tổng quan cơ sở khoa học về đa lợi ích và đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi 28

1.3.1 Khái niệm đa lợi ích 28

1.3.2 Lịch sử phát triển của cách tiếp cận đa lợi ích 30

1.3.3 Phân loại đa lợi ích của công nghệ biogas 33

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về đánh giá đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi 35

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới 35

1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 44

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 54

2.1 Cách tiếp cận nghiên cứu 54

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 55

i

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 55

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 56

2.3 Phương pháp nghiên cứu 57

2.3.1 Phương pháp điều tra xã hội học 60

2.3.2 Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu nước thải 63

2.3.3 Phương pháp đánh giá lợi ích môi trường của công nghệ biogas 65

2.3.4 Phương pháp đánh giá lợi ích giảm phát thải khí nhà kính của công nghệ biogas 66

2.3.5 Phương pháp đánh giá lợi ích sức khỏe của công nghệ biogas 74

2.3.6 Ứng dụng thống kê trong tính toán lợi ích của từng nhóm lợn 77

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 81

3.1 Hiện trạng chăn nuôi và chất lượng môi trường tại các hộ gia đình và trang trại chăn nuôi lợn trong phạm vi nghiên cứu 81

3.2 Xác định đa lợi ích tiềm năng của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn 91

3.3 Lượng hóa đa lợi ích tiềm năng của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn 96

3.3.1.Quy mô hộ gia đình 96

3.3.1.1 Đánh giá tiềm năng lợi ích môi trường 96

3.3.1.2 Đánh giá lợi ích năng lượng tiềm năng 99

3.3.1.3 Đánh giá lợi ích nông nghiệp tiềm năng 101

3.3.1.4 Đánh giá lợi ích sức khỏe tiềm năng 101

3.3.1.5 Tổng lợi ích tiềm năng 104

3.3.2Quy mô trang trại 108

3.3.2.1 Đánh giá lợi ích môi trường tiềm năng 108

3.3.2.2 Đánh giá lợi ích năng lượng tiềm năng 115

3.3.2.3 Tổng lợi ích tiềm năng 119

3.3.2.4 Lợi ích tiềm năng của công nghệ biogas theo từng nhóm lợn 123

3.4 Tăng cường hiệu quả đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thảichăn nuôi lợn tại Việt Nam 131

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU TIẾP 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC 157

iii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các quốc gia có sản lượng thịt lợn đứng đầu thế giới 7

Bảng 1.2 Đặc điểm của hệ thống chăn nuôi lợn tại Việt Nam 9

Bảng 1.3 Khối lượng chất thải chăn nuôi lợn theo vùngtại Việt Nam 12

Bảng 1.4 Tổng khối lượng phát thải CO2 tương đương vào năm 2012 13

Bảng 1.5 Thành phần của KSH 14

Bảng 1.6 Đặc tính và khối lượng KSH của một số nguyên liệu thường gặp 14

Bảng 1.7 Sản phẩm khí sinh học và Mêtan lý thuyết từ Cácbohydrat, chất béo và Protein 18

Bảng 1.8 Đặc tính trung bình của các loại phân chuồng khác nhau và tiềm năng khí Mêtan sinh học (BMP) 19

Bảng 1.9 Số lượng vật nuôi và thể tích tối thiểu của phần phân giải bể biogas 22

Bảng 1.10 Sự thay đổi nồng độ của các chất trong không khí* 25

Bảng 1.11 Sự gia tăng tương đối của các chất ô nhiễm so sánh với việc sử dụng KSH 25

Bảng 1.12 Đa lợi ích của công nghệ biogas 34

Bảng 1.13 So sánh hiệu quả của các dạng phân bón khác nhau đối với năng suất của cây bắp cải, mù tạt và khoai tây 42

Bảng 2.1 Tổng hợp các phương pháp đánh giá đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi 58

Bảng 2.2 Nội dung điều tra đánh giá đa lợi ích của công nghệ biogas 62

Bảng 2.3 Phương pháp phân tích mẫu nước thải 64

Bảng 2.4 Mức phí tương ứng với các thông số ô nhiễm tính phí 65

Bảng 2.5 Thiết lập bài toán tính lợi ích/loại lợn 78

Bảng 2.6 Đa lợi ích của công nghệ biogas 80

Bảng 3.1 Hệ số sử dụng tính toán 98

Bảng 3.2 Ước tính chi phí tiết kiệm tiêu thụ năng lượng tại hộ gia đình có hầm biogas 100

Bảng 3.3 Ước tính một số ca bệnh nhiễm khuẩn hô hấp cấp dưới (ARLI) đối với trẻ

em dưới 5 tuổi tại xã Ngọc Lũ và An Nội 102Bảng 3.4 Tổng lợi ích tiềm năng mang lại từ việc áp dụng 1 hầm biogas 105Bảng 3.5 Ước tính đa lợi ích tiềm năng hàng năm của hầm biogas cho Việt Nam (tính từ

tháng 10/2017) (sử dụng kết quả đa lợi ích công nghệ biogas quy mô hộ gia đình) 107

Bảng 3.6 Lợi ích tiết kiệm chi phí nộp phí bảo vệ môi trường tiềm năng đối với

nước thải của các trang trại 110Bảng 3.7 Giá trị trung bình của EF đối với từng giai đoạn phát triển của lợn 113Bảng 3.8 Doanh thu tiềm năng hàng năm từ việc bán chứng chỉ giảm phát thải của

19 trang trại 113Bảng 3.9 Kết quả tính toán lợi ích tiết kiệmđiện tiềm năngcủa 19 trang trại 115Bảng 3.10 Lượng phát thải CH4 dư thừa của các trang trại 118Bảng 3.11 Kết quả tính toán tổng lợi ích tiềm năng của việc áp dụng biogas trong

xử lý chất thải chăn nuôi lợn tại các trang trại 120Bảng 3.12 Đa lợi ích tiềm năng của trang trại khi áp dụng giải pháp xử lý chất thải

bằng bể biogas 124Bảng 3.13 Các mảng ma trận 125Bảng 3.14 Các giá trị lợi ích tiềm năng theo từng nhóm lợn 127Bảng 3.15 Ước tính đa lợi ích tiềm năng của hầm biogas cho Việt Nam (tháng

4/2017) 129

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Xử lý chất thải chăn nuôi lợn tại quy mô trang trại 11

Hình 1.2 Phân hủy kỵ khí đối với chất hữu cơ và các nguyên liệu có khả năng phân hủy sinh học 15

Hình 1.3 Hầm biogas hộ gia đình 20

Hình 1.4 Tổ hợp công trình biogas với kỹ thuật bể phản ứng khuấy trộn liên tục (Continuos Stired Tank Reactor - CSTR) tại Châu Âu 21

Hình 1.5 Khung đa lợi ích điều chỉnh dựa trên khung của Ngân hàng thế giới (World Bank) 29

Hình 1.6 Áp dụng tiếp cận đa lợi ích trong các chính sách môi trường của Nhật Bản .31

Hình 2.1 Cách tiếp cận nghiên cứu của luận án 55

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước thải ở trang trại 64

Hình 3.1 Bể biogas và bể yếm khí, hiếu khi tại trang trại TT05 84

Hình 3.2 Hầm biogas phủ bạt HDPE tại trang trại TT02 và TT03 84

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1.1 Số lượng lợn trên thế giới 2012 – 2017 7

Biểu đồ 1.2 Số lượng đầu lợn qua các năm 2010 – 2017 8

Biều đồ 2.1 Số lượng lợn tại thời điểm 1/10 hàng năm phân các địa phương nghiên cứu 57

Biểu đồ 3.1 Loại hầm biogas tại các hộ gia đình được khảo sát, 2012 82

Biểu đồ 3.2 Hàm lượng BOD trong nước thải đầu ra 85

Biểu đồ 3.3 Hàm lượng TSS trong nước thải đầu ra 86

Biểu đồ 3.4 Hàm lượng COD trong nước thải đầu ra 86

Biểu đồ 3.5 Hàm lượng TP trong nước thải đầu ra 87

Biểu đồ 3.6 Hàm lượng N-NH4+ trong nước thải đầu ra 87

Biểu đồ 3.7 Mức độ ảnh hưởng ô nhiễm nước thải của các trang trại đến các hộ gia đình xung quanh 89

Biểu đồ 3.8 Mức độ ảnh hưởng ô nhiễm mùi của các trang trại đến các hộ gia đình xung quanh 90

Biểu đồ 3.9 Mức độ ảnh hưởng ô nhiễm tiếng ồn của các trang trại đến các hộ gia đình xung quanh 91

Biểu đồ 3.10 Mức độ giảm ô nhiễm không khí trong nhà bếp khi sử dụng KSH 93

Biểu đồ 3.11 Mức độ giảm chặt phá rừng khi sử dụng KSH làm nhiên liệu 93

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ALRI Acute lower respiratory tract

CDM Clean Development Mechanism

CERs Certified Emission Reduction

COD Chemical Oxygen Demand

CHP Combined heat and power

CSTR Continuos Stired Tank Reactor

DBP Diastolic blood pressure

EPA United States Environmental

Protection Agency

FAO Food and Agriculture

Organization of the United

Nations

GIS Geographic Information System

GgCO2Eq Gigagrams Carbon dioxide

equivalent

HDPE High-density polyethylene

HRT Hydraulic Retention Time

IGES Institute for Global

Nhu cầu oxy hóa sinh họcTiềm năng khí Mêtan sinh học Chương trình KSH cho ngành chăn nuôi của Việt Nam Cơ chế phát triển sạch

Chứng chỉ giảm phát thảiNhu cầu oxy hóa hóa họcKết hợp thu nhiệt và phát điện từ KSH

Bể phản ứng khuấy trộn liên tục Huyết áp tâm trương

Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ

Tổ chức Nông Lương Thế giới

Hệ thống thông tin địa lý Gigagram cácbon dioxít qui đổi

Polyethylene mật độ cao Thời gian lưuViện Chiến lược và môi trường toàncầu

IPCC Intergovernmental Panel on Ủy ban liên chính phủ về biến đổi

LCFA Long-Chain Fatty Acids Axít béo chuỗi dài

LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng

OLR Organic Loading Rate Tải trọng chất hữu cơ

OECD The Organisation for Economic Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh

Co-operation and Development tế

QSEAP The Quality and Safety Dự án "Nâng cao chất lượng, an

Enhancement of Agricultural toàn sản phẩm nông nghiệp và phát

triển chương trình khí sinh học"

SPM Suspended Particulate Matter Vật chất dạng hạt lơ lửng

tCO2e Ton carbon dioxid equivalent Tấn cácbon dioxít qui đổi

USEPA United States Environmental Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ

Protection AgencyVFA Volatile Fatty Acid Axít béo dễ bay hơi

VSS Volatile Suspended Solids Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi

VER Voluntary Emission Reduction Tín chỉ giảm phát thải theo cơ chế tự

nguyệnWEPA Water Environmental Partnership Tổ chức đối tác môi trường nước

ix

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo đánh giá của Tổ chức Nông lương Thế giới (FAO), ngành chăn nuôi đếnnăm 2020 vẫn tiếp tục phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu thực phẩm đảm bảo cho sứckhỏe cộng đồng và gia tăng dân số Sản xuất chăn nuôi đang có xu hướng chuyểndịch từ các nước phát triển sang các nước đang phát triển Châu Á sẽ trở thành khuvực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất

Việt Nam hiện vẫn còn là nước nông nghiệp, chủ yếu dựa vào trồng trọt vàchăn nuôi Theo đó, tỷ trọng chăn nuôi chiếm khoảng 25 - 30% trong tổng giá trịsản lượng trong nông nghiệp Các vật nuôi như lợn và gia cầm đóng góp nhiều nhấtvào giá trị sản xuất của ngành chăn nuôi Việt Nam.Trong cơ cấu sản lượng thịt củangành chăn nuôi, thịt lợn là sản phẩm có tỷ trọng lớn nhất, chiếm 72,98% trong tổngsản lượng thịt của ngành vào năm 2016, tuy nhiên sản lượng thịt lợn lại có xuhướng giảm nhẹ so với mức 73,97% của năm 2012 [26] Theo đánh giá của FAOnăm 2014, số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam đứng thứ sáu trong 10 quốc gia có

số lượng lợn nuôi nhiều nhất Thế giới [126] Với tốc độ phát triển mạnh mẽ củangành chăn nuôi Việt Nam, con số này sẽ còn tăng trong thời gian tới

Theo Cục chăn nuôi, số lượng lợn nuôi trong nước tăng bình quân 1,45%/năm

từ 27,06 triệu con năm 2011 lên 29,08 triệu con năm 2016 Do vậy, lượng chất thảihàng năm của hoạt động chăn nuôi lợn tăng từ 24,69 triệu tấn/năm vào năm 2011lên 26,53 triệu tấn/năm vào năm 2016 [7, 8] Chất thải chăn nuôi tác động đến môitrường và sức khỏe con người trên nhiều khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt,nước ngầm, môi trường khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp Ô nhiễmphát sinh từ chăn nuôi đang là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô hấp, tiêuhóa, do trong chất thải chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh Tổ chức Y tế Thế giới(WHO) đã cảnh báo, nếu không có biện pháp thu gom và xử lý một cách thỏa đángthì chất thải chăn nuôi sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Tuy nhiên, việc quản lý chất thải chăn nuôi tạiViệt Nam hiện nay còn gặp nhiều khó khăn, chưa được cộng đồng quan tâm đúng

mức, cũng như chưa tương xứng với tốc độ phát triển của ngành

Tuy xu hướng chăn nuôi quy mô trang trại ở Việt Nam ngày càng được pháttriển, nhưng chăn nuôi nông hộ vẫn còn chiếm tỷ lệ lớn Số hộ chăn nuôi chưa ápdụng các biện pháp xử lý chất thải vẫn chiếm tỷ lệ cao 47%, tương ứng với 1,9 triệu

hộ [16] Các trang trại được đầu tư với kinh phí lớn đã bước đầu xây dựng hệ thống

xử lý chất thải chăn nuôi, tuy nhiên do thiếu kinh phí, công nghệ và ý thức còn chưacao nên chất lượng nước thải ra môi trường tại hầu hết các trang trại chăn nuôi lợnvẫn chưa đáp ứng được QCVN 62-MT:2016/BTNMT

Hiện nay, tại Việt Nam, chất thải chăn nuôi bao gồm nước thải và chất thải rắnđược xử lý bằng các công nghệ như là ủ phân compost, công nghệ khí sinh học(biogas), đệm lót sinh học v.v Áp dụng công nghệ biogas trong xử lý chất thảichăn nuôi là biện pháp phổ biến được áp dụng tại Việt Nam Đặc biệt, tỷ lệ áp dụngphương pháp biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn là cao nhất (chiếm 64,9%năm 2017 và theo xu hướng ngày càng tăng (tỷ lệ này năm 2011 là 38,5%) Trongkhi công nghệ biogas xử lý các loại chất thải từ chăn nuôi trâu chỉ chiếm 11,3%năm 2017, bò sinh sản chiếm 12,9% năm 2017, bò thịt chiếm 27,8% năm 2017, gàchiếm 15,1% năm 2017 [26]

Công nghệ biogas được giới thiệu vào Việt Nam từ những năm 60 và được thực

tế chứng minh có hiệu quả xử lý môi trường đối với các chất thải ngành chăn nuôi.Bên cạnh những ưu điểm về xử lý chất thải chăn nuôi, công nghệ biogas còn có khảnăng tạo ra nguồn năng lượng sử dụng thay thế cho năng lượng truyền thống củacác gia đình sống ở nông thôn Việt Nam Công nghệ biogas đem lại các giá trị đalợi ích về môi trường: giảm phát thải khí nhà kính (KNK), thay thế năng lượngtruyền thống, tạo ra phân hữu cơ giảm lượng phân bón hóa học, cải thiện bộ mặtnông thôn và giảm tác động tiêu cực tới sức khỏe người dân nông thôn v.v… Đã cónhiều nghiên cứu đánh giá hiệu quả của công trình biogas trong xử lý chất thải chănnuôi và đánh giá các lợi ích đem lại từ công trình biogas bằng các phương phápkhác nhau Tuy nhiên, nghiên cứu đánh giá tổng hợp các lợi ích của giải pháp xử lýchất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas áp dụng ngành chăn nuôi nói chung vàchăn nuôi lợn nói riêng đối với cả 2 quy mô trang trại và hộ gia đình còn hạn chế

2

Đặc biệt là chưa có nghiên cứu đánh giá đa lợi ích trên đầu lợn đối với các giai đoạnphát triển khác nhau từng con lợn.

Xuất phát từ yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên, tác giả tiến hành nghiên

cứu Luận án theo tiêu đề sau “Nghiên cứu đánh giá tiềm năng đa lợi ích của giải pháp xử lý chất thải chăn nuôi lợn tập trung bằng công nghệ biogas tại một số địa phương khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam”.

Việc thực hiện luận án mang tính cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao đối vớiphát triển kinh tế xã hội đất nước Kết quả của luận án sẽ góp phần lý luận và thựctiễn đối với quá trình xây dựng chính sách về quản lý chất thải chăn nuôi lợn nóiriêng và chăn nuôi nói chung phục vụ bảo vệ môi trường và phát triển bền vữngViệt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá được tiềm năng đa lợi ích của giải pháp xử lý chất thải chăn nuôilợn quy mô trang trại và nông hộ bằng công nghệ biogas

- Đề xuất được các giải pháp tăng cường, mở rộng sử dụng hiệu quả đa lợi ích củacông nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô trang trại và nông hộ

3 Luận điểm khoa học

Nghiên cứu này được đặt ra dựa trên một số luận điểm khoa học sau:

Công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn là công nghệ phổ biếntrên thế giới và tại Việt Nam Công nghệ biogas để xử lý chất thải chăn nuôi lợn,đồng thời cũng tạo ra nhiều lợi ích khác như môi trường, năng lượng, giảm phát thảiKNK, nông nghiệp, sức khỏe v.v… Như vậy, công nghệ biogas có khả năng giảmđược các tác động tiêu cực của nguồn ô nhiễm và tạo ra các giá trị mới về nănglượng, vật chất và môi trường Các lợi ích nêu trên có thể sử dụng riêng biệt, nhưngcũng có thể được sử dụng toàn bộ, tạo ra giá trị đa lợi ích của giải pháp xử lý chấtthải bằng công nghệ biogas

Đánh giá là bước cần thiết trước khi triển khai ứng dụng; đánh giá được giátrị đa lợi ích của công nghệ biogas cho phép các nhà khoa học, nhà quản lý môitrường, doanh nghiệp và người nông dân tận dụng được đầy đủ các lợi ích đem lại

từ công nghệ biogas trong quá trình áp dụng công nghệ để kiểm soát ô nhiễm, giảm

phát thải KNK, giảm chi phí, phát triển nông thôn mới và hướng tới phát triển bềnvững Đồng thời, kết quả đánh giá đa lợi ích là cơ sở/góp phần hỗ trợ quá trìnhhoạch định chính sách tổng hợp trong quản lý môi trường ngành chăn nuôi nóichung và chăn nuôi lợn nói riêng hướng tới phát triển bền vững vùng nông thônViệt Nam.

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Điều tra, khảo sát, thu thập dữ liệu về đặc điểm chăn nuôi lợn, sử dụng

công nghệ biogas và các lợi ích đem lại từ công nghệ tại quy mô hộ gia đình vàtrang trại tại một số địa phương Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam

Nội dung 2: Đánh giá thực trạng và lượng hóa giá trị đa lợi ích của công nghệ

biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn ở quy mô hộ gia đình và trang trại tại khuvực nghiên cứu

Nội dung 3: Đề xuất các giải pháp tăng cường sử dụng hiệu quả đa lợi ích của công

nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình và trang trại tạikhu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam

5 Ý nghĩa của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả của luận án cung cấp các phương pháp, quy trình và dữ liệu trongcác trường hợp cụ thể để đánh giá đa lợi ích công nghệ biogas trong xử lý chất thảichăn nuôi quy mô trang trại và hộ gia đình; đồng thời cung cấp cơ sở khoa học đểtriển khai đánh giá đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôitrên phạm vi toàn quốc

Luận án cung cấp các kết quả khoa học về đánh giá, phương pháp và các giảipháp quản lý tổng hợp chất thải; phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, giảngdạy cho sinh viên, học viên ngành môi trường

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc định hướngcác giải pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam, đồng thời áp dụng hiệuquả công nghệ biogas cũng như phát huy các lợi ích mà công nghệ này đem lại,hướng đến mục tiêu phát triển bền vững, thích ứng với BĐKH

4

6 Đóng góp mới của đề tài

Luận án đã có một số đóng góp mới và cụ thể như sau:

a) Lần đầu tiên đưa ra kết quả đánh giá tổng hợp đa lợi ích của công nghệbiogas ở quy mô hộ gia đình và trang trại ở Việt Nam bằng phương pháp tiếp cận đalợi ích;và đưa ra kết quả đánh giá tổng hợp đa lợi ích của công nghệ biogas áp dụng

xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô trang trại đối với từng giai đoạn phát triển củalợn

b) Đề xuất được các giải pháp tăng cường, mở rộng sử dụng hiệu quả đa lợi ích của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi

7 Kết cấu của luận án

Luận án được bố cục thành 3 chương và các phần mở đầu; kết luận, kiếnnghị và tài liệu tham khảo

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Luận án được trình bày trong 235 trang A4, 34 bảng biểu, 10 hình vẽ, 14biểu đồ, danh mục 05 công trình khoa học của tác giả đã được công bố và 140 tàiliệu tham khảo tiếng Việt và tiếng Anh và 8 phụ lục kèm theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về phát triển ngành chăn nuôi lợn và các vấn đề môi trường 1.1.1 Phát triển ngành chăn nuôi lợn trên thế giới

Ngành chăn nuôi đã phát triển với tốc độ chưa từng thấy trong vài thập kỷqua do sự bùng nổ nhu cầu thực phẩm có nguồn gốc từ động vật tại các nền kinh tếđang phát triển trên thế giới Số lượng lợn tăng nhanh từ năm 2012 đến năm 2015 từ793,74 triệu con lên 801,6 triệu con (biểu đồ 1.1) Từ năm 2016 đến tháng 10/2019

số lượng lợn được nuôi trên toàn thế giới giảm nhẹ từ 792,42 triệu con xuống 767,6triệu con Trung Quốc là quốc gia đứng đầu thế giới về sản lượng thịt lợn với52.750.000 tấn thịt vào 8/2017 (bảng 1.1) [132] Ngành chăn nuôi lợn đã đóng góp40% giá trị toàn cầu của sản lượng nông nghiệp, hỗ trợ sinh kế và an ninh lươngthực của gần 1,3 tỷ người [140]

Sản xuất thịt lợn thương phẩm đã tăng lên đáng kể trong những thập kỷ gầnđây Tại Bắc Mỹ, nhu cầu về số lượng thịt lợn gia tăng nhanh, còn tại Châu Âu nhucầu này đang gia tăng chậm hoặc giữ ổn định Ở Châu Phi, số lượng thịt lợn tiêu thụgần đây tăng trưởng nhanh hơn, phản ánh sự gia tăng chăn nuôi lợn [140] Các hệthống sản xuất thịt lợn quy mô lớn đang tồn tại ở các nước phát triển, chủ yếuchuyển đổi từ mô hình nuôi truyền thống sang mô hình mới quy mô công nghiệp.Tại các nước đang phát triển, một nửa số lượng lợn hiện nay vẫn được nuôi trongcác hệ thống sản xuất nhỏ dựa trên quy mô nhỏ truyền thống

Phương thức chăn nuôi lợn của các nước trên thế giới hiện tồn tại 3 hình thức

cơ bản [118]:

- Chăn nuôi quy mô công nghiệp, thâm canh công nghệ cao: sử dụng côngnghệ sinh học và công nghệ thông tin trong sản xuất, tập trung chủ yếu ở các nước pháttriển ở châu Âu, châu Mỹ, châu Úc và một số nước ở châu Á, Phi, Mỹ La Tinh

- Chăn nuôi trang trại bán thâm canh, tập trung tại phần lớn các nước đang phát triển ở châu Á, châu Phi, Mỹ La Tinh và các nước Trung Đông

- Chăn nuôi nông hộ quy mô nhỏ và quảng canh, tập trung tại phần lớn cácnước đang phát triển ở châu Á, châu Phi, Mỹ La Tinh và các nước Trung Đông

6

Số lượng lợn (triệu con)

Năm

Biểu đồ 1.1 Số lƣợng lợn trên thế giới 2012 – 2019

Nguồn: The Statistics Portal, 2019 [121]

Bảng 1.1 Các quốc gia có sản lƣợng thịt lợn đứng đầu thế giới

7

1.1.2 Phát triển ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam

Về khối lượng sản xuất và giá trị kinh tế, chăn nuôi lợn là phân ngành lớnnhất Chăn nuôi lợn được thực hiện rộng rãi tại cả 6 vùng sinh thái nông nghiệp củaquốc gia nhưng tập trung nhiều nhất tại những khu vực đồng bằng như Đồng bằngsông Hồng, Tây Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu Long [43]

Theo số liệu thống kê của Cục Chăn nuôi, ngành chăn nuôi lợn Việt Namphát triển mạnh mẽ, số lượng đầu lợn tăng đột biến trong 5 năm từ năm 2000 đến2005: từ 20,200 triệu con tăng lên 27.434.895 con Từ năm 2005 đến nay, chínhsách phát triển chăn nuôi lợn đã có sự chuyển dịch sang ổn định tổng số đầu lợn,tăng giá trị sản xuất và qui mô đàn Từ năm 2010 đến sơ bộ đầu năm 2017, tổng sốđầu lợn trên cả nước dao động từ 27.373.149 con đến 28.911.285 con lợn (biểu đồ1.2) [124]

Số lượng lợn (nghìn con)

Năm

Nguồn: Tổng cục Thống kê,

2017[124] Biểu đồ 1.2 Số lƣợng đầu lợn qua các năm 2010 – 2017

Ngày 10 tháng 6 năm 2013, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số899/QĐ-TTg phê duyệt Đề án “Tái cơ cấu ngành nông nghiệp theo hướng nâng caogiá trị gia tăng và phát triển bền vững”, trong đó nội dung tái cơ cấu chăn nuôi baogồm di chuyển dần vật nuôi từ những khu vực đông dân cư tới những khu vực có

dân cư thưa thớt hơn như những khu vực cao nguyên, miền núi, và di chuyển nhữngkhu chăn nuôi ra xa khỏi các thành phố và khu vực dân cư; chuyển đổi các hệ thốngchăn nuôi từ chăn nuôi quy mô nhỏ sang quy mô lớn.

Các đặc điểm của hệ thống chăn nuôi lợn tại Việt Nam đã được tác giả ĐinhXuân Tùng tổng hợp trình bày tại bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc điểm của hệ thống chăn nuôi lợn tại Việt Nam

 Khoảng 60% mẫu thức ăn cho lợn cho thấy có ít nhất một loạikháng sinh thuộc nhóm tetaxylin và tylosin, trong đó có một mẫuchứa lượng tylosin vượt quá giới hạn cho phép

Hệ thống  Loại chuồng trại phổ biến nhất là chuồng kiên cố

chuồng trại  71,8% cơ sở chăn nuôi thương phẩm có sàn bê tông, tiếp theo là

các cơ sở chăn nuôi thương phẩm quy mô nhỏ (68,7%), và các cơ sởchăn nuôi gia cầm quy mô nhỏ (48,2%)

 Trong sản xuất lợn công nghiệp, các trại có chuồng kín chỉ chiếm3%, chuồng trại bán kín chiếm 21%, và chuồng hở chiếm 76%

Lưu ý: a Bộ NN&PTNT xác định hộ chăn nuôi nhỏ theo các loài đồng vật khác nhau như sau:

- Chăn nuôi lợn: >20 con lợn nái gọi là trang trại, < 20 con lợn nái gọi là chăn nuôi hộ gia đình.

- Lợn thịt > 100 con lợn/đàn gọi là trang trại, và < 100 con là chăn nuôi hộ gia đình.

- Gia cầm > 2.000 con/đàn gọi là chăn nuôi trang trại, < 2.000 con gọi là chăn nuôi hộ gia đình.

- Trâu/bò: Làm giống > 10 con gọi là trang trại và để nuôi thịt > 50 con là trang trại.

Tuy nhiên, không phải tất cả các ấn phẩm đều tuân theo sự phân loại này Một số tác giả chỉ đơn giản chia các trại theo quy mô nhỏ, vừa và lớn.

b Đánh giá môi trường thực vật trong chăn nuôi Thanh-tuu-KH-CN/Danh-gia-thuc-trang-o-nhiem-moi-truong-trong-chan-Nuoi-32705.html.

Http://www.vusta.vn/vi/news/Thong-tin-Sukien-Nguồn: Đinh Xuân Tùng, 2017 [43]

Quá trình tái cấu trúc ngành chăn nuôi lợn liên quan tới chuyển dịch, tiến đến

9

những hệ thống chăn nuôi lợn thâm canh và quy mô sản xuất lớn hơn Năm 2014,70% số con lợn và 60% sản phẩm thịt lợn được sản xuất bởi các cơ sở chăn nuôi hộgia đình, số còn lại được sản xuất từ các cơ sở chăn nuôi lợn thương phẩm quy môlớn [15, 43] Số cơ sở chăn nuôi lợn giảm xuống hơn 65% giữa năm 2005 và 2014.Năm 2014, số trại lợn có từ 10 con trở lên chiếm 65,8% số thịt lợn cung cấp cho thịtrường [42, 43].

1.1.3 Các vấn đề môi trường trong ngành chăn nuôi

Trong thập niên qua, cơ cấu ngành chăn nuôi Việt Nam có sự thay đổi lớn, sốlượng các hộ chăn nuôi nhỏ lẻ giảm xuống, trong khi số lượng vật nuôi tăng lên Các cơ

sở chăn nuôi lớn thường tạo ra nhiều chất thải vượt qua khả năng tái chế để sử dụnglàm phân bón hoặc khí đốt sinh học [43] Các cơ sở chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ (nông hộ)hoặc quy mô trang trại chưa được qui hoạch và mang tính tự phát với hệ thống xử lýchất thải chăn nuôi lợn chưa hiệu quảnên thường ở trong tình trạng ô nhiễm môitrường Nước thải và chất thải rắn của ngành chăn nuôi đang gây ra nhiều vấn đề môitrường bức xúc cho xã hội, ảnh hưởng tới sức khỏe của cộng đồng

Ô nhiễm nước thải

Khoảng 30% các trang trại nuôi lợn đã thực hiện tách riêng việc thu gom chấtthải rắn và lỏng, khoảng 60% số trại này thực hiện xử lý chất thải theo dạng hỗnhợp [43] Một số khu vực chăn nuôi lợn còn xả chất thải trực tiếp ra môi trườngxung quanh gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nồng độ khí H2S và NH3 caohơn mức cho phép khoảng 30-40 lần Tổng số vi sinh vật và bào tử nấm cũng caohơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra, nước thải chăn nuôi lợn còn có chứaColiform, Ecoli, COD, và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với Quy chuẩn

kỹ thuật quốc gia QCVN 62-MT:2016/BTNMT về nước thải chăn nuôi

Các trang trại chăn nuôi tập trung quy mô lớn (trên 1.000 con lợn), phần lớn

có hệ thống xử lý nước thải (khoảng 67%) với các loại công nghệ khác nhau, nhưnghiệu quả xử lý chưa triệt để Trong đó, chỉ có khoảng 2,8% có báo cáo đánh giá tácđộng môi trường [46] Công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô trang trạichủ yếu là công nghệ biogas Hầu hết nước thải đầu vào hệ thống biogas là nướcthải hỗn hợp trộn lẫn phân, nước tiểu, thức ăn và nước rửa chuồng của tất cả các

loại lợn thịt, lợn con Riêng đối với lợn nái, phân khô được hốt riêng dùng làm phânbón Khí sinh học (KSH) từ bể biogas được thu hồi phục vụ cho mục đích đun nấu,tuy nhiên lượng KSH dư thừa rất lớn được đốt và xả trực tiếp vào không khí Tổnghợp các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi lợn theo nghiên cứu của Tổ chức đốitác môi trường nước Châu Á (WEPA, 2017) [118] được trình bày trong hình 1.1.

Tại một số trang trại hay hộ gia đình chăn nuôi lợn, người dân tự thiết kế vàxây dựng hệ thống biogas Do không có sự hướng dẫn của các đơn vị chức năng,nhiều hầm biogas vận hành không phù hợp với qui mô chăn nuôi, hiệu quả xử lýchất thải thấp

Đầu vào của các hầm biogas tại các trang trại chủ yếu có tải lượng cao dongười dân sử dụng nước rửa chuồng và không tách phân khô Quy trình vận hành,bảo dưỡng không đảm bảo kỹ thuật cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hầmbiogas Bên cạnh đó, kinh phí đầu tư hệ thống xử lý khá cao, trong khi chủ hộ chănnuôi và chủ trang trại không dễ dàng tiếp cận được các nguồn hỗ trợ tài chính

Chất thải

Đun nấuHỗn hợp

SưởiBiogas

Thải trựctiếp

Hình 1.1 Các phương thức xử lý chất thải chăn nuôi lợn tại quy mô trang trại

Nguồn: WEPA, 2017[118]

11

ra mỗi ngày có thể ước tính 6-8% trọng lượng của vật nuôi [2,5].

Theo Cục Chăn nuôi [16], lượng chất thải của lợn bao gồm lượng phân là 2,5kg/con/ngày và lượng nước tiểu là 3 kg/con/ngày năm Tổng lượng chất thải hàngnăm của hoạt động chăn nuôi lợn năm 2011 là 24,69 triệu tấn tăng lên là 26,53 triệutấn vào năm 2016 Khối lượng chất thải chăn nuôi lợn ở các vùng khác nhau trong

cả nước được trình bày tại bảng 1.3

Bảng 1.3 Khối lƣợng chất thải chăn nuôi lợn theo vùng tại Việt Nam

ĐBSH: Đồng bằng sông Hồng MNPB: Miền núi phía Bắc DHTB: Duyên hải trung Bộ

TN: Tây Nguyên ĐNB: Đông Nam Bộ ĐBSCL: Đồng Bằng sông Cửu Long

Nguồn: Đinh Xuân Tùng, 2017 [43]

Ô nhiễm không khí

Chăn nuôi lợn qui mô trang trại ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hai kiểu chuồngnuôi là chuồng kín và chuồng hở [10] Tuy nhiên, trong nhưng năm gần đây cáctrang trại quy mô lớn mới xây chủ yếu sử dụng kiểu chuồng kín Mùi phát sinh từchất thải chăn nuôi có nồng độ cao, đặc biệt sau quạt xả, bao gồm:

- Mùi trong chuồng nuôi: việc loại mùi được thực hiện qua hệ thống quạt hút

12

thông gió hoặc thông gió tự nhiên, toàn bộ mùi bị phát tán ra môi trường -

Mùi ngoài chuồng nuôi: nơi chứa chất thải rắn, xử lý chất thải,…

Các chất thải khí từ chăn nuôi gồm CO2, NH3, CH4, H2S, VOCs…Theo số liệucủa Cục Chăn nuôi, năm 2008, mỗi năm có khoảng vài trăm triệu tấn khí thải ônhiễm do hoạt động chăn nuôi thải ra [19] Ước tính tổng phát thải khí CO2 tươngđương của cả nước từ chăn nuôi lợn vào năm 2012 [43, 24] là 4.328.080 tấn/năm(bảng 1.4)

Bảng 1.4 Tổng khối lượng phát thải CO 2 tương đương vào năm 2012

Đơn vị: tấn/năm

Tổng CO2 4.328.080 535.590 3.749.477 6.344.163 14.960.935tương đương

ĐBSH: Đồng bằng sông Hồng MNPB: Miền núi phía Bắc DHBNTB: Duyên hải Trung Bộ

TN: Tây Nguyên ĐNB: Đông Nam Bộ ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

Nguồn: Đinh Xuân Tùng, 2017; Vũ Thị Khánh Vân, 2013 [43, 45]

1.2 Tổng quan về công nghệ biogas

1.2.1 Công nghệ biogas

Công nghệ biogas hay công nghệ phân hủy kỵ khí là phương thức phân hủysinh học và ổn định hữu cơ đối với các nguyên liệu thô có khả năng phân hủy sinhhọc trong điều kiện có kiểm soát Quá trình này dựa trên hoạt động của các vi sinhvật trong điều kiện kỵ khí, với hai sản phẩm cuối cùng là KSH (biogas) giàu nănglượng và mùn phân hủy giàu chất dinh dưỡng [103]

KSH là hỗn hợp nhiều chất khí sinh ra trong các thiết bị công nghệ lên menyếm khí Thành phần KSH tùy thuộc vào loại nguyên liệu tham gia vào quá trình

phân giải và các điều kiện trong quá trình đó như nhiệt độ, độ pH, chất lượngnước… KSH cũng tùy thuộc vào các giai đoạn phân giải Thành phần và đặc tínhcủa KSH thu hồi từ các hầm biogas Việt Nam theo số liệu của Cục Chăn nuôi đượctrình bày trong bảng 1.5 và 1.6.

Bảng 1.5 Thành phần của KSH

Nguồn: Cục Chăn nuôi, 2011 [13]

Khối lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong thiết bị KSH thườngthấp hơn so với lý thuyết do hiệu suất phân giải không hoàn toàn Bảng 1.6 trìnhbày số liệu tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp Khối lượng khí sinhhọc hàng ngày được tính theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày (lít/kg/ngày) Chấtthải động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàng ngày Thực vật đượcnạp từng mẻ

Bảng 1.6 Đặc tính và khối lượng KSH của một số nguyên liệu thường gặp Loại nguyên Lượng thải hàng Hàm lượng Tỷ lệ các- Hiệu suất

14

Cácbon hydrat Protein LipitThủy phân

Hình 1.2 Quá trình phân hủy kỵ khí đối với chất hữu cơ và các nguyên liệu có

khả năng phân hủy sinh học

Nguồn: Gujer, W & Zehnder, A.J.B, 1983 [67]

Trong quá trình thủy phân, các polyme (cácbon-hydrat, protein và lipit) đượcphân hủy thành dạng monome và dime thông qua các enzyme thủy phân được các

vi sinh vật tiết ra Diện tích bề mặt của các nguyên liệu thô càng lớn, thì các enzymthủy phân có thể hoạt động tốt hơn [99] Vì vậy, tốc độ phân hủy của quá trình thủy

phân thường phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu thô (ví dụ như nguyên liệu chứachất rắn [83]) Các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình thủy phân baogồm nhiệt độ, pH Nhiệt độ cao (30oC – 40oC) và pH xấp xỉ 6.0 là điều kiện thuậnlợi cho quá trình phân hủy hiếu khí [100]

Các nguyên liệu thô bị phân hủy thành phân tử nhỏ hơn như axít béo chuỗi dài(LCFA), ancol, đường đơn và amoni axit trong quá trình thủy phân; các vi sinh khuẩnaxit có thể tiếp tục phân hủy chúng thành các axit béo dễ bay hơi (VFA) [64, 85, 93]

Có nhiều sản phẩm trung gian được tạo ra trong quá trình trên (như propionic,butyric, axetic và lactic) phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, nguyên liệu đầu vào vàcác chủng loại vi sinh vật hoạt động Quá trình axit hóa là giai đoạn hợp chất amonicủa nitơ chuyển hóa thành NH4+-N, có giá trị làm phân bón cho cây trồng.

Quá trình axetat hóa diễn ra dẫn đến sự phân hủy các hợp chất của các axitbéo dễ bay hơi (VFAs) trung gian thành acetat hydro và cácbon dioxit [85] Đây lànhững hợp chất mà vi khuẩn sinh mêtan có thể sử dụng trong quá trình trao đổi chất

và sản sinh ra khí biogas, bao gồm mêtan và cácbon dioxit Khoảng 70% mêtanđược sản sinh từ axetat và 30% từ hydro và cácbon dioxit [64, 92]

1.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí

Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển và tồn tại của các vi sinh vật Nhiệt độthấp, các phản ứng hóa học, hoạt động enzyme và sự tăng trưởng của vi sinh vậtthấp Khi nhiệt độ tăng, các phản ứng hóa học và hoạt tính của enzyme được tăngcường, nhưng chỉ ở trong một giới hạn nhiệt độ tối ưu nhất định Nếu nhiệt độ vượtquá nhiệt độ tối ưu, các hợp chất protein và các tế bào vi sinh vật có thể bị phá hủy

Vì vậy, việc tăng nhiệt độ đến giới hạn nhất định có thể tăng cường quá trình phânhủy sinh học [81]

Các vi khuẩn được phân loại theo các nhiệt độ khác nhau tương ứng với nhiệt

độ tối ưu của chúng và điều kiện tối ưu được sử dụng để vận hành hệ thống biogas

Vi khuẩn Psychrophilic và Psychrotolerant phát triển ở khoảng nhiệt độ từ

0 – 20oC [81] Hệ thống biogas áp dụng xử lý nước thải có hàm lượng các chất hữu

cơ hòa tan cao thường vận hành ở nhiệt độ thấp Vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình

(Mesophilic) có khoảng nhiệt độ tối ưu từ 30 – 40oC và ưa nhiệt (Thermophilic) có

khoảng nhiệt độ tối ưu trên 55oC [81] Quá trình phân hủy kỵ khí đối với cácnguyên liệu không đồng nhất như phân chuồng, bùn, nước thải, các chất thải có khảnăng phân hủy và các sản phẩm phụ từ sinh hoạt và công nghiệp thường xảy ratrong điều kiện nhiệt trung bình và nhiệt độ cao

pH cũng rất quan trọng cho quá trình cân bằng hóa học trong hệ thống sinhkhí biogas (ví dụ khả năng hòa tan trong nước, giai đoạn kết tủa của vật liệu vô cơ)

16

pH tối ưu cho giai đoạn thủy phân enzyme là 6,0, nhưng đối với giai đoạn mêtanhóa thì pH trong khoảng 6,0 – 8,0 Để duy trì pH mong muốn, trong quá trình phânhủy kỵ khí cần đảm bảo đủ độ kiềm, nghĩa là là cần bổ sung dung dịch đệm Nhiềunguyên liệu chất thải đầu vào của hệ thống biogas có độ kiềm cao, do vậy trong quátrình vận hành cần bổ sung nếu cần, ví dụ hợp chất bicacbonat [100].

Sự ức chế

Quá trình amoni hóa các hợp chất nitơ hữu cơ tạo ra nitơamoni, đây là mộtdạng của amoniac (NH3) Khi amoni xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, có thể dễ dàngtạo ra độc chất ở nồng độ cao Lượng amoni phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của quátrình, ví dụ nhiệt độ và pH cao thì lượng amoniac cao

Các yếu tố ức chế quá trình phân hủy kỵ khí còn có oxy, các hợp chất khửtrùng, kim loại nặng nồng độ cao, nitrat, sunphat, các hợp chất với các liên kếtcácbon-cácbon chưa bão hòa (acetylen) v.v… [92, 100]

1.2.1.3 Các yếu tố kỹ thuật và vận hành

Các yếu tố kỹ thuật và vận hành cũng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵkhí trong công nghệ biogas Ví dụ, mức độ phối trộn đồng đều các nguyên liệu cũngrất quan trọng trong tất cả các dạng bể biogas Cần đảm bảo cho các nguyên liệu thô

có thể tiếp xúc hiệu quả với các vi sinh vật, trong điều kiện nhiệt độ ổn định và chấtlượng đồng nhất của quá trình phân hủy Mức độ trộn lẫn tốt cho phép giải phóngkhí biogas từ quá trình phân hủy vào hệ thống thu gom khí Nếu mức độ trộn lẫncủa nguyên liệu không tốt, khối lượng khí biogas sẽ thấp và dẫn đến các vấn đề vậnhành khác như: tạo bọt trong túi khí biogas

Thời gian lưu (HRT) và tải trọng chất hữu cơ (OLR) cũng ảnh hưởng đếnhiệu quả công nghệ biogas HRT có mối liên quan đối với thể tích bể phản ứng vàthể tích nguyên liệu nạp hàng ngày, cũng như thời gian lưu của chất thô trong quátrình phân hủy HRT dài, thì các chất hữu cơ dễ bay hơi (VS) sẽ phân hủy càngnhiều Chất hữu cơ phân hủy tốt nhất trong điều kiện kỵ khí là từ 14-50 ngày, phụthuộc vào nguyên liệu đầu vào, và HRT lớn cũng tương ứng với thể tích bể phảnứng lớn Trong trường hợp các chất hữu cơ dễ phân hủy, ví dụ như rác thải từ rau

củ, HRT ngắn sẽ hiệu quả cao, trong khi nguyên liệu là cây trồng thì HRT phải lớn

hơn để đảm bảo hiệu quả phân hủy Đối với phân chuồng, thì HRT phải từ 20 – 30ngày [100].

OLR là lượng chất hữu cơ được xử lý trong một quá trình cụ thể và trongHRT nhất định (OLR = lượng chất hữu cơ (VS) trong ngày được nạp vào bể) Tất cảcác quá trình phân hủy kỵ khí trong công trình biogas đều có ngưỡng OLR riêng.OLR không thể tăng khi kỹ thuật bị hạn chế (VS lớn hơn thiết kế bể, độ phối trộnkhông tốt hay tắc nghẽn) hoặc số lượng vi sinh vật bị hạn chế (VS nạp quá lớn làm

ức chế quá trình phân hủy kỵ khí)

1.2.2 Nguyên vật liệu cho các quá trình sinh khí biogas

Các nguyên vật liệu thô khác nhau sẽ tạo ra lượng KSH khác nhau, phụ thuộcvào hàm lượng cácbohydrat, chất béo và protein trong nguyên liệu (bảng 1.7,[100]) Theo lý thuyết, tất các các nguyên vật liệu có khả năng phân hủy sinh họctạo ra KSH đều chứa hàm lượng lignin Trong nông nghiệp, phân chuồng và sinhkhối có thể trực tiếp tạo ra KSH Hơn thế, các ngành công nghiệp khác tạo ra cácsản phẩm phụ có khả năng phân hủy sinh học cũng có thể sử dụng trong các côngtrình biogas

Bảng 1.7 Sản phẩm khí sinh học và mêtan lý thuyết từ cácbohydrat, chất béo và

Nguồn: Sari Luostarinen, A N, 2011 [100]

Về cơ bản, tất cả các loại phân chuồng đều có thể sử dụng trực tiếp làmnguyên liệu cho các hệ thống biogas, tuy nhiên phụ thuộc vào số lượng, đặc tính vàthiết kế của thiết bị, có thể sử dụng riêng hoặc kết hợp với các nguyên vật liệu thôkhác Tiềm năng tạo ra mêtan của phân khác nhau đối với các loại phân khác nhau(bảng 1.8), do đó cũng phụ thuộc vào chế độ ăn và các giải pháp vệ sinh chuồngtrại, tổng chất rắn của phân và vật liệu đệm được sử dụng Phân chuồng là nguyên

18

vật liệu tốt dùng cho các nhà máy biogas do (i) các nguyên liệu có sẵn, (ii) chứahàm lượng dinh dưỡng cao phù hợp với vi sinh vật kỵ khí và (iii) có khả năng đệmcao Tuy nhiên, trong phân gia cầm chứa hàm lượng nitơ khó phân hủy, cần phải có

kỹ thuật riêng để giảm các yếu tố ức chế (ví dụ phải pha loãng với nước sạch hoặc

sử dụng đồng thời với các nguyên liệu khác có chứa hàm lượng nitơ thấp)

Bảng 1.8 Đặc tính trung bình của các loại phân chuồng khác nhau và tiềm

năng khí mêtan sinh học (BMP) Phân chuồng Tổng chất Chất hữu cơ N tổng Tiềm năng khí

Nguồn: Sari Luostarinen, A N, 2011 [100]

1.2.3 Các giải pháp kỹ thuật và vận hành đối với các công trình biogas

Các công trình biogas có quy mô khác nhau được thiết kế theo điều kiện, đặctính, số lượng nguyên liệu thô cần xử lý, vốn đầu tư, chi phí vận hành, nhân công,sản phẩm đầu ra và mục đích sử dụng sản phẩm năng lượng Đối với quy mô hộ giađình, các kỹ thuật sử dụng rất đơn giản Đối với quy mô trang trại, thiết kế kỹ thuậtđược lựa chọn kỹ lưỡng hơn, tuy nhiên mục tiêu vẫn là đơn giản và dễ sử dụng Doquy mô lớn, nên quá trình vận hành cần được thao tác và quan trắc theo trình tự chặtchẽ Quy mô công trình biogas nhìn chung được chia làm các loại sau: hầm biogas

hộ gia đình nhỏ, công trình biogas nông nghiệp (quy mô trang trại, các trang trạihợp tác và công trình biogas tập trung)

Hầm biogas hộ gia đình được vận hành rất đơn giản (hình 1.3) có thể hoạtđộng hiệu quả trong điều kiện thời tiết ấm, tuy nhiên đối với thời tiết lạnh cần phảikiểm soát nhiệt độ bể ủ Sản phẩm KSH được sử dụng để đun nấu và thắp sáng

Đầu vào

Đầu vào

Đầu vào

Đầu ra

Đầu ra

Đầu ra

A- Hầm nắp nổi, B- Hầm nắp cố định, C- Hầm túi ủ

Hình 1.3 Hầm biogas hộ gia đình

Nguồn: Sari Luostarinen, A N, 2011 [100]

Công trình biogas nông nghiệp được tích hợp giữa các sản phẩm chăn nuôi

và trồng trọt, giữa phân chuồng và sinh khối thực vật làm nguyên liệu thô Các côngtrình biogas quy mô trang trại sử dụng công nghệ đơn giản, hiệu quả và tự động hóa

để duy trì một quá trình sinh khí ổn định; trong khi công trình biogas lớn hơn củacác nhà máy hợp tác xã nông nghiệp cũng có thể sử dụng các công nghệ tiên tiến vàphức tạp hơn Theo Sari Luostarinen (2011), các công trình KSH nông nghiệp đượcchia thành 3 nhóm theo công suất phát điện từ khí biogas (Combined Head andPower - CHP) là quy mô nhỏ ≤ 70 kW, quy mô trung bình 70 – 150 kW, quy môlớn 150 – 500 kW [100] Theo cách phân chia này, quy mô CHP vừa đến trung bình

có thể áp dụng cho các trang trại đơn lẻ, trong khi CHP trung bình đến lớn có thể ápdụng cho các hợp tác xã nông nghiệp

20

Hình 1.4 Tổ hợp công trình biogas với kỹ thuật bể phản ứng khuấy trộn liên

tục (Continuos Stired Tank Reactor - CSTR) tại Châu Âu

Nguồn: Sari Luostarinen, A N, 2011 [100] Công trình biogas quy mô trang trại

thường có mục đích thu hồi năng lượng và dinh dưỡng trong trang trại để tạo ra

nguồn cung cấp năng lượng bền vững Hình1.4 mô tả các sản phẩm chính của công trình biogas là: điện năng, nhiệt năng vàphân bón Công trình biogas phổ biến ở Châu Âu áp dụng kỹ thuật bể phản ứngkhuấy trộn liên tục tạo ra KSH phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện của trang trạihoặc hòa lưới điện của địa phương (Hình 1.4) Nhiệt năng phát sinh từ bể phân hủy

kỵ khí cung cấp cho thiết bị phát nhiệt sử dụng sưởi ấm cho trang trại hoặc hệ thốnglàm sưởi ấm chung Phân bùn từ hệ thống biogas được vận chuyển cung cấp làmphân bón

Đối với các nhà máy biogas tập trung, giải pháp kỹ thuật thường phức tạphơn hai loại nêu trên Hơn thế, nguyên liệu đầu vào thường được thu thập từ nhiềunguồn khác nhau và được nạp hỗn hợp từ nguồn nông nghiệp, sinh hoạt và côngnghiệp Việc lựa chọn kỹ thuật phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sẵn có và mục đíchcủa quá trình (ví dụ: sản phẩm năng lượng, sản phẩm phân bón, ổn định chất

thải, giảm tải lượng môi trường), chi phí đầu tư và vận hành, các hệ thống trợ cấp sẵn có v.v… [96, 101, 61].

1.2.4 Thực trạng áp dụng công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi tại Việt Nam

Công nghệ biogas đã được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam từ năm 1960,đến nay đã được áp dụng rộng rãi và mang lại lợi ích kinh tế, xã hội và môi trườngđáng kể cho người dân Khoảng 53% các cơ sở chăn nuôi lợn tập trung ở phía Nam,60% ở phía Bắc và 42% ở khu vực miền Trung được báo cáo là đã sử dụng hầmbiogas để quản lý chất thải [17, 43]

Hiện nay, đối với chăn nuôi lợn quy mô trang trại, Việt Nam đang áp dụngcông trình biogas quy mô vừa (thể tích từ 51m3 đến 499m3), công trình biogas quy

mô lớn (thể tích từ 500m3 trở lên) Công nghệ áp dụng bao gồm 3 kiểu công nghệ là

bể biogas hình ống, bể biogas kiểu KT1 và KT2 (có thể tích 50-200m3), hồ biogasphủ bạt HDPE

Các hộ chăn nuôi áp dụng hầm biogas nhỏ có thể tích bé hơn 50 m3, bao gồm

2 loại là công trình biogas nắp cố định (kiểu KT1 và KT2) và công trình biogas làmbằng composite Mối tương quan giữa số lượng vật nuôi và thể tích tối thiểu của phầnphân giải của bể biogas đối với quy mô nhỏ được trình bày trong bảng 1.9

Bảng 1.9 Số lƣợng vật nuôi và thể tích tối thiểu của phần phân giải bể biogas

22

Dự án “Chương trình KSH cho ngành chăn nuôi của Việt Nam” (BPD) do

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (Cục chăn nuôi) và Tổ chức phát triển HàLan (SNV) thực hiện từ năm 2003 Đến tháng 6 năm 2016, chương trình đã hỗ trợxây dựng 157.583 công trình KSH quy mô hộ gia đình tại 55/63 tỉnh thành của ViệtNam, tác động tới gần 800.000 người Hơn 2 triệu ngày lao động đã được tạo ra.Hơn 1.000 kỹ thuật viên và gần 1.700 thợ cả đã được đào tạo chuyên về xây dựngcông trình KSH Chương trình cũng góp phần giảm 5.9 tấn CO2/hầm/năm [14]

Dự án Hỗ trợ Nông nghiệp các bon thấp của Bộ Nông nghiệp và Phát triểnnông thôn (LCASP), nguồn vốn vay từ Ngân hàng Phát triển Châu Á với tổng vốnđầu tư 84 triệu USD tại Lào Cai, Sơn La, Phú Thọ, Bắc Giang, Nam Định, Hà Tĩnh,Bình Định, Tiền Giang, Bến Tre và Sóc Trăng; tính đến 01/3/2017 đã xây dựngđược 24.938 hầm biogas [19]

Tính đến tháng 10/2017, Việt Nam đã xây lắp được khoảng 467.231 hầmbiogas với sự hỗ trợ của Chính phủ và các nhà tài trợ quốc tế như SNV, ADB,WP… trên tổng số 12 triệu hộ chăn nuôi [7] Các công trình biogas có thu hồi KSHhiện nay là giải pháp xử lý chất thải chăn nuôi lợn kết hợp giảm phát thải thải KNKtương đối hiệu quả

Đối với các công trình biogas quy mô hộ gia đình, việc phát hành tín chỉ phátthải (Certified Emission Reduction – CER) đã được triển khai tại Việt Nam Ngày26/6/2018, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã công bố phát hành quốc tếthêm 1 triệu tín chỉ cacbon từ các công trình biogas tại nông hộ trong khuôn khổ dự

án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam 2016-2020” Tổ chứcTiêu chuẩn vàng đã chính thức công bố dự án Chương trình KSH cho ngành chănnuôi giai đoạn 2016-2020 ở Việt Nam đã có thêm 1.072.197 tín chỉ giảm phát thảitheo cơ chế tự nguyện (Voluntary Emission Reduction – VER) được chứng nhậnphát hành cho các công trình KSH được xây dựng đến hết năm 2014; đưa tổng sốtín chỉ cácbon của dự án được chứng nhận phát hành lên 2.362.149 tín chỉ Trên quy

mô quốc tế, đây là dự án có số lượng tín chỉ cácbon theo cơ chế tự nguyện lớn nhất

thế giới về giảm phát thải KNK trong lĩnh vực KSH [140].

23

1.2.5 Tác động môi trường của công nghệ biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi lợn

Giảm mùi hôi và cải thiện cảnh quan

Hệ thống biogas tạo ra môi trường cảnh quan tốt cho các hộ chăn nuôi Chấtthải không còn được thải trực tiếp ra môi trường gây mùi hôi thối và ô nhiễm Chấtthải được tập trung và nạp vào bể biogas Quá trình phân hủy yếm khí đã giúp tiêudiệt trứng giun, sán, mầm bệnh, mùi hôi thối không bị phát tán ra xung quanh

Cải thiện môi trường nước

Công nghệ phân hủy yếm khí trong bể biogas được áp dụng xử lý chất thảichăn nuôi lợn cho thấy hiệu quả xử lý nước thải hơn so với các phương pháp truyềnthống khác Ưu điểm của hệ thống biogas là các chất hữu cơ được phân hủy mộtphần, do đó nước thải sau biogas có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn Cáchầm biogas đã giảm tình trạng các hộ chăn nuôi thải trực tiếp chất thải ra môitrường, qua đó giảm được ô nhiễm nước mặt và nước ngầm Chất lượng nước đượccải thiện đáng kể Các hầm biogas có khả năng xử lý khá tốt các chất hữu cơ (trungbình COD giảm 84,7%, BOD5 giảm 76,3%, chất rắn lơ lửng (trung bình SS giảm86,1%, VSS giảm 85,4%), và vi sinh vật gây bệnh (giảm 51,2%), các chất dinhdưỡng (N, P), hầm biogas chỉ xử lý giảm một phần (trung bình tổng Nitơ giảm11,8%, tổng Photpho giảm 7,0%) [28]

Giảm chất thải rắn

Một trong những ưu điểm chính của công nghệ biogas là có khả năng chuyểnđổi các chất thải rắn thành nguồn nguyên liệu sẵn có bằng các sử dụng quá trìnhphân hủy kỵ khí Công nghệ biogas đã giải quyết rất tốt vấn đề này khi chuyểnlượng rác thải hữu cơ thành các sản phẩm năng lượng, tuần hoàn nguồn nhiên liệunhư phân bón Đồng thời, phân hủy kỵ khí cũng đã làm giảm lượng lớn chất thải rắn

và chi phí cũng như diện tích chôn lấp chất thải rắn [112]

Cải thiện môi trường không khí

Chất lượng môi trường không khí trong nhà được cải thiện đáng kể khi sửdụng KSH làm nhiên liệu sạch, không phát thải các chất ô nhiễm độc hại (bụi lơlửng, các chất gây kích thích mắt) [98] Sự thay đổi nồng độ của các chất trong