CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SINH KHỐI 1.1 Khái niệm về sinh khối Sinh khối (Biomass) là loại vật liệu sinh học có nguồn gốc từ các loài thực vật, cây trồng công nghiệp, các phế phẩm nông, lâm nghiệp (trấu, rơm, dạ, bã mía, mùn cưa,. Sinh khối cũng bao gồm chất thải chăn nuôi, chất thải rắn và bùn thải. Đây là một nguyên liệu dồi dào tạo ra năng lượng sạch thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ,.
trong bối cảnh ngày càng giảm về trữ lượng. Đồng thời việc khai thác và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch này gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường và sức khỏe con người. 1 Các loại sinh khối [1] Phế phẩm nông nghiệp: Bao gồm các phụ phẩm dư thừa sau mỗi mùa vụ, các phần còn sót lại, không sử dụng của cây trồng, không ăn được của hoa màu sau khi thu hoạch, dư lượng của các loại cây phi lương thực, chuyên dụng cho năng lượng sinh học, được trồng để lấy tinh bột, đường, ép dầu, tinh chất [1]. Phụ phẩm lâm nghiệp & ngành gỗ: Bao gồm thân cây, nhành cây, cành lá được cắt tỉa, hoặc mùn cưa, mạt gỗ thu được sau khi gia công sản phẩm từ gỗ.
Nguồn sinh khối này thường được dùng làm nhiên liệu đốt trong các lò hơi công nghiệp [1]. Chất thải chăn nuôi: Các loại phân gia súc và bùn thải từ chuồng trại thường được sử dụng để chuyển hóa thành gas, hoặc đốt trực tiếp tạo ra nhiệt, sản xuất năng lượng. Tuy nhiên, phân gia súc có hàm lượng metan cao, gây hại cho sức khỏe con người [1]. Chất thải công nghiệp: Chất thải hữu cơ được tạo ra từ các quy trình sản xuất khác nhau, có thể ở dạng rắn hoặc lỏng.
Phần lớn đến từ ngành chế biến thực phẩm và sản xuất giấy [1]. Rác thải rắn: Là rác thải từ các hoạt động sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất, chúng có chứa các vật chất hữu cơ từ thực vật, giấy, bìa cứng,. là một nguồn tài nguyên tái tạo lớn. Tuy nhiên, không phải tất cả rác thải rắn đều thích hợp làm nguồn sinh khối, đặc biệt là rác thải kim loại và nhựa [1].
1 Bùn thải: Chất thải con người và động vật từ các đô thị cung cấp nguồn năng lượng hóa học lớn. Chất thải động vật sau khi được xử lý sẽ tạo ra khí mê-tan và khí sinh học dễ cháy, được sử dụng để sưởi ấm và làm nhiên liệu đốt [1].1 Phế phẩm nông nghiệp Việt Nam là một nước nông nghiệp, vì vậy hàng năm lượng phế thải dư thừa trong quá trình chế biến các sản phẩm nông nghiệp, thực phẩm rất lớn và đa dạng. Theo Tổng cục Thống kê, tổng khối lượng phế, phụ phẩm nông nghiệp cả nước khoảng 156,8 triệu tấn. Trong đó, 88,9 triệu tấn phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng, quá trình chế biến nông sản của ngành trồng trọt (chiếm 56,7%); 61,4 triệu tấn phân gia súc, gia cầm từ ngành chăn nuôi (chiếm 39,1%) và gần 1 triệu tấn từ ngành thủy sản.
2 Biểu đồ khối lượng phế, phụ phẩm nông nghiệp [2] Cụ thể, ước tính khối lượng phụ phẩm cây trồng và chất thải rất lớn: với 42,7 triệu tấn lúa thì 60 triệu tấn phụ phẩm từ rơm, vỏ trấu, cám; gần 10 triệu tấn phế phụ phẩm từ sản xuất ngô; hơn 850 ngàn tấn phế phụ phẩm từ khoai lang; trên 12 triệu tấn phế phụ phẩm từ sắn…[2]. Riêng khu vực Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long, phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu từ ngành trồng trọt và chăn nuôi với hơn 13,9 triệu tấn trong năm 2020 tại Đông Nam Bộ và 39,4 triệu tấn tại đồng bằng sông Cửu Long [2]. Nhưng thực tế, Việt Nam vẫn chưa tận dụng tốt các phế, phụ phẩm nông nghiệp. Minh chứng là trong số 43 triệu tấn rơm thì mới thu gom, sử dụng được khoảng 52,2%; chất thải chăn nuôi cũng chưa được thu gom, sử dụng hiệu quả, chỉ đạt 48% ở quy mô hộ nông dân.
Với việc chế biến, tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam có thể mang lại 4-5 tỷ USD/năm, nhưng hiện nay mới đạt khoảng 275 triệu USD.2 Phế phẩm lâm nghiệp Theo Viện Năng lượng - Bộ Công Thương, tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng lên đến gần 25 triệu tấn, tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô [3]. 2 Quyết định số 816/QĐ-BNN-KL ngày 20/3/2024 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn công bố hiện trạng rừng toàn quốc năm 2023. Theo đó, diện tích rừng (gồm diện tích rừng chưa đủ tiêu chí tính tỷ lệ che phủ) đạt 14.309 ha, trong đó rừng tự nhiên 10.751 ha; rừng trồng 4. Diện tích rừng đủ tiêu chí tính tỷ lệ che phủ đạt 13.122 ha; trong đó, rừng tự nhiên 10.751 ha, rừng trồng 3.
Tỷ lệ che phủ rừng toàn quốc đạt 42,02% [4]. 3 Diện tích rừng Việt Nam 2023 [Nguồn: infographics.3 Chất thải rắn Chất thải rắn có thành phần hữu cơ gồm các loại: chất thải rắn sinh hoạt đô thị, chất thải rắn sinh hoạt nông thôn. 4 Khối lượng chất thải rắn từ nguồn khác nhau 3 1. Chất thải rắn sinh hoạt đô thị Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, giai đoạn 2016-2020, chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị tăng từ 10-16%.
Khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại khu vực đô thị trong cả nước là 35.624 tấn/ngày (tương đương 13.592 triệu tấn/năm), chiếm khoảng 55% tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh trên cả nước, trong đó Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội có lượng chất thải sinh hoạt đô thị phát sinh lớn nhất. Chỉ tính riêng 2 đô thị này tổng lượng chất thải sinh hoạt đô thị phát sinh lên tới 12.000 tấn/ngày, chiếm 33,6% tổng lượng chất thải sinh hoạt đô thị phát sinh trên cả nước [5]. 1 Khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại đô thị [5] Khối lượng phát Khối lượng phát TT Vùng sinh (tấn/ngày) sinh (tấn/năm) 1 Đồng bằng sông Hồng 7.494 2 Trung du và miền núi phía Bắc 2.428 3 Bắc bộ và Duyên hải miền Trung 7.586 5 Đông Nam Bộ 3.918 6 Đồng bằng sông Cửu Long 5.868 Cũng theo kết quả thống kê giai đoạn 2016-2019, tốc độ thu gom và xử lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị tăng trung bình 2%/năm, phần lớn chỉ được xử lý bằng hình thức chôn lấp thô sơ. Chất thải rắn sinh hoạt sau khi thu gom được xử lý chủ yếu bằng các phương pháp sau: 71% khối lượng được xử lý bằng phương pháp chôn lấp, 16% khối lượng được xử lý tại các nhà máy chế biến compost, 13% khối lượng được xử lý bằng phương pháp đốt [5].
Chất thải rắn sinh hoạt nông thôn Hình 1. 5 Hình ảnh minh họa về chất thải rắn sinh hoạt nông thôn 4 Chất thải rắn sinh hoạt nông thôn phát sinh từ các nguồn: các hộ gia đình, chợ, nhà kho, trường học, bệnh viện, cơ quan hành chính. chất thải rắn sinh hoạt khu vực nông thôn có tỷ lệ khá cao chất hữu cơ, chủ yếu là từ thực phẩm thải, chất thải vườn và phần lớn đều là chất hữu cơ dễ phân hủy (tỷ lệ các thành phần dễ phân hủy chiếm tới 65% trong chất thải sinh hoạt gia đình ở nông thôn) [6]. Chỉ số phát sinh chất thải rắn sinh hoạt nông thôn trung bình 0,33 kg/người/ngày, trong đó vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long có chỉ số phát sinh chất thải rắn sinh hoạt nông thôn cao do có mức độ hoạt động sản xuất nông nghiệp cao (0,4 kg/người/ngày), thấp nhất vùng núi phía Bắc (0,2 kg/người/ngày) [6].
2 Khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại nông thôn [5] Khối lượng phát Khối lượng phát TT Vùng sinh (tấn/ngày) sinh (tấn/năm) 1 Đồng bằng sông Hồng 7.494 2 Trung du và miền núi phía Bắc 2.428 3 Bắc bộ và Duyên hải miền Trung 7.586 5 Đông Nam Bộ 3.918 6 Đồng bằng sông Cửu Long 5.4 Bùn thải Hiện nay, chưa có số liệu thống kê đầy đủ về phát sinh bùn thải trên phạm vi cả nước, các số liệu về bùn thải thường tập trung liên quan đến bùn thải từ bể tự hoại và bùn thải từ hệ thống thoát nước tại các đô thị (bùn thải phát sinh từ sinh hoạt). Khối lượng bùn thải được dự báo ngày càng gia tăng cùng với mức tăng dân số và các nhu cầu sinh hoạt của người dân [6]. 6 Hình ảnh minh họa về bùn thải 5 Hệ số phát sinh bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) tại đô thị là là 0,04-0,07m3/người. Chỉ số phát sinh bùn cặn từ hệ thống thoát nước tại các đô thị khoảng 0,146-0,365m3/người.
3 Lượng bùn thải phát sinh tại đô thị trên cả nước [6] T Nă Lượng bùn cặn phát sinh từ bể tự Lượng bùn cặn phát sinh từ hệ T m hoại (m3/năm) thống thoát nước(m3/năm) 201 1 1.890 6 Theo thống kê từ Công ty TNHH MTV Môi trường đô thị Hà Nội mỗi ngày đơn vị này thu gom tại 4 quận nội thành và các trại giam khoảng 6.698 tấn bùn thải. Trong khi đó, trạm xử lý phân bùn bể phốt mới chỉ đáp ứng công suất 50 tấn/ngày đêm.Hồ Chí Minh, mỗi ngày phát sinh lượng bùn thải các loại tổng cộng khoảng 3.000m3/ngày (tương đương 5. Trong đó, bùn thải từ hệ thống cống rãnh 450.000 tấn/năm, bùn thải kênh rạch 2-3 triệu m3/năm; bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt từ 30 - 40 tấn/ngày [6].2 Sinh khối gỗ 1.1 Định nghĩa sinh khối gỗ Sinh khối gỗ là một loại vật chất có nguồn gốc hữu cơ tự nhiên. Thành phần của gỗ chủ yếu bao gồm lignin (15–30%), cellulose (30–50%) và hemicellulose (15– 25%) [6].
Sinh khối gỗ được đặc trưng bởi mật độ khối lượng lớn và nhiệt trị cao, độ ẩm, hàm lượng tro và độ rỗng thấp [8]. 7 Cấu trúc của sinh khối gỗ [9] 6 1. Cellulose Cellulose (C6H10O5)n là là một loại đường đa (polysacarit), chiếm khoảng 40- 50% trọng lượng của sinh khối thô. Cellulose cũng là thành phần chính của thành tế bào thực vật và là nguồn chính cho việc tạo ra glucose trong quá trình chuyển hóa sinh học [1].
8 Cấu trúc hóa học của Cellulose [9] Cellulose là hợp chất hữu cơ phong phú nhất có thể được tìm thấy trong tự nhiên (90% cấu trúc bông và 50% gỗ) có chức năng cấu trúc trong thành tế bào thực vật [9]. Cellulose phân hủy nhiệt trong khoảng từ 240oC đến 350oC [8]. Hemicellulose Tương tự như cellulose, hemicellulose cũng là một loại đường đa (polysacarit) có trong thành tế bào của cây. Chiếm khoảng 20-35% trọng lượng của sinh khối thô, nó thường chứa các đơn vị đường hóa học khác nhau và đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa sinh học [1].