Luận văn thạc sĩ khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ biogas và hiệu quả của mô hình trong việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình tại thị trấn na hang

Luận văn thạc sĩ khảo sát hiệu quả hầm ủ biogas xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình tại thị trấn Na Hang, đánh giá tình hình sử dụng và lợi ích mô hình.

• Tác giả: Hà Thị Thùy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thế Hùng
• Trường học: Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ biogas và hiệu quả của mô hình trong việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình tại thị trấn Na Hang - Huyện Na Hang - Tỉnh Tuyên Quang
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN 1: MỤC LỤC
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Yêu cầu của đề tài
• 1.3. Ý nghĩa của đề tài
• 2. PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Cơ sở lý luận của đề tài
• 2.2. Những ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi
• 2.3. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn
• 2.4. Tình hình quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại địa phương
• 2.5. Công nghệ biogas
• 2.6. Cơ sở thực tiễn
• 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 3.3. Nội dung nghiên cứu
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Phương pháp kế thừa
• 3.4.2. Phương pháp điều tra thu thập thông tin
• 3.4.3. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
• 3.4.4. Phương pháp phân tích thống kê
• 3.4.5. Phương pháp tổng hợp, đánh giá, so sánh
• 3.4.6. Phương pháp xử lý và thống kê số liệu
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội thị trấn Na Hang
• 4.1.1. Điều kiện tự nhiên
• 4.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội
• 4.1.3. Hiện trạng phát triển nông nghiệp
• 4.2. Tình hình lắp đặt hầm ủ Biogas ở Thị trấn Na Hang
• 4.2.1. Các loại hầm ủ biogas được sử dụng trên địa bàn thị trấn Na Hang
• 4.2.2. Hiện trạng lắp đặt hầm ủ biogas
• 4.2.3. Đánh giá hiệu quả khi sử dụng hầm biogas để xử lý chất thải chăn nuôi
• 4.2.3.1. Về môi trường
• 4.2.3.2. Về kinh tế
• 4.2.4. Lợi ích và những khó khăn thuận lợi khi lắp đặt hầm ủ biogas
• 4.2.5. Một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng hầm biogas
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tình hình chăn nuôi và xử lý chất thải chăn nuôi tại Na Hang

Tình hình chăn nuôi tại thị trấn Na Hang chủ yếu tập trung vào việc nuôi lợn, với lượng chất thải phát sinh lớn. Chất thải từ hoạt động chăn nuôi lợn không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Việc xử lý chất thải chăn nuôi hiện nay chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống, chưa hiệu quả. Theo thống kê, chỉ một số ít hộ gia đình đã áp dụng công nghệ hầm ủ biogas để xử lý chất thải. Điều này cho thấy sự cần thiết phải nâng cao nhận thức và ứng dụng công nghệ mới trong xử lý chất thải chăn nuôi. Việc áp dụng công nghệ biogas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn

Chất thải chăn nuôi lợn bao gồm phân, nước tiểu và các chất độn chuồng. Phân lợn chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, tạo ra biogas. Lượng phân thải ra hàng ngày phụ thuộc vào giống, tuổi và chế độ ăn uống của lợn. Việc xử lý chất thải này là rất quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo nghiên cứu, phân lợn có thể chứa từ 70-80% nước, và việc xử lý không đúng cách có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và không khí. Do đó, việc áp dụng hầm ủ biogas là một giải pháp hiệu quả để xử lý chất thải này.

II. Hiệu quả của hầm ủ biogas trong xử lý chất thải

Việc sử dụng hầm ủ biogas đã cho thấy nhiều lợi ích trong việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn. Đầu tiên, công nghệ này giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường bằng cách xử lý chất thải một cách hiệu quả. Theo kết quả nghiên cứu, hiệu quả hầm biogas không chỉ thể hiện ở việc giảm lượng chất thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch cho sinh hoạt. Hơn nữa, việc sử dụng biogas trong gia đình giúp tiết kiệm chi phí năng lượng, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Điều này không chỉ có lợi cho kinh tế hộ gia đình mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

2.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Sử dụng hầm ủ biogas mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho các hộ gia đình. Việc tiết kiệm chi phí năng lượng từ việc sử dụng biogas trong sinh hoạt hàng ngày là một trong những lợi ích rõ rệt. Ngoài ra, việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ này còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Theo thống kê, các hộ gia đình sử dụng hầm biogas đã giảm được đáng kể lượng chất thải thải ra môi trường, đồng thời cải thiện chất lượng cuộc sống. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ môi trường.

III. Khó khăn và giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng hầm biogas

Mặc dù hầm ủ biogas mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn còn nhiều khó khăn trong việc áp dụng công nghệ này tại Na Hang. Một trong những khó khăn lớn nhất là nhận thức của người dân về công nghệ này còn hạn chế. Nhiều hộ gia đình vẫn chưa hiểu rõ về lợi ích của việc sử dụng biogas trong xử lý chất thải. Để nâng cao hiệu quả sử dụng, cần có các chương trình tuyên truyền, giáo dục cộng đồng về lợi ích của công nghệ biogas. Bên cạnh đó, cần có sự hỗ trợ từ chính quyền địa phương trong việc cung cấp thông tin và hướng dẫn kỹ thuật cho người dân.

3.1. Đề xuất giải pháp

Để nâng cao hiệu quả sử dụng hầm ủ biogas, cần triển khai các chương trình đào tạo cho người dân về kỹ thuật xây dựng và vận hành hầm biogas. Đồng thời, chính quyền địa phương cần có các chính sách hỗ trợ, khuyến khích người dân lắp đặt hầm biogas. Việc kết hợp giữa các tổ chức phi chính phủ và chính quyền địa phương trong việc tuyên truyền và hỗ trợ kỹ thuật sẽ giúp nâng cao nhận thức và khuyến khích người dân áp dụng công nghệ này. Điều này không chỉ giúp cải thiện môi trường sống mà còn góp phần phát triển kinh tế bền vững cho cộng đồng.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Sự phát triển nhanh chóng của ngành chăn nuôi gia súc tại Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy kinh tế nông thôn, song cũng tạo ra áp lực nặng nề lên hạ tầng quản lý môi trường. Theo thống kê của Cục Chăn nuôi, với tổng đàn hơn 37 triệu con gia súc và 300 triệu con gia cầm trên toàn quốc, lượng chất thải phát sinh hàng năm ước tính đạt 84,45 triệu tấn. Tuy nhiên, chỉ khoảng 5 – 20% lượng phân được tận dụng làm phân bón, phần còn lại thải trực tiếp ra tự nhiên, đe dọa trực tiếp đến chất lượng nguồn nước ngầm, nước mặt và phát thải lượng lớn khí nhà kính (khí $CH_4$ có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao gấp 23 lần so với $CO_2$; $N_2O$ cao gấp 296 lần $CO_2$).

Tại thị trấn Na Hang (huyện Na Hang, tỉnh Tuyên Quang) – một địa bàn miền núi với địa hình lòng chảo, dốc từ 15° đến 40° và dân cư phân bố dọc lưu vực sông Gâm – ngành chăn nuôi lợn phát triển chủ yếu theo quy mô nông hộ từ 3 – 20 con/hộ. Tình trạng chuồng trại sát khu dân cư, hệ thống thu gom thô sơ và thói quen xả thải trực tiếp nước tắm, phân lợn ($30 - 50\text{ lít/con/ngày đêm}$) đã gây ô nhiễm cục bộ nguồn nước, bốc mùi hôi thối ($H_2S, NH_3$), làm bùng phát các mầm bệnh đường ruột và ký sinh trùng (E. coli, Salmonella, Ascaris suum).

Đề tài “Khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ Biogas và hiệu quả của mô hình trong việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình tại thị trấn Na Hang, huyện Na Hang, tỉnh Tuyên Quang” được triển khai nhằm giải quyết triệt để bài toán xử lý chất thải tại nguồn và tái tạo năng lượng sinh học.

Mục tiêu của dự án:

1. Đánh giá hiện trạng chăn nuôi và thực trạng quản lý chất thải rắn, chất thải lỏng chăn nuôi lợn tại 20 tổ dân phố/thôn thuộc thị trấn Na Hang.
2. Khảo sát cấu trúc công nghệ, thông số vận hành và tình hình lắp đặt các dòng hầm ủ Biogas (hầm vòm xây gạch KT1/KT2 và hầm đúc sẵn nhựa Composite).
3. Định lượng hiệu quả xử lý môi trường thông qua các chỉ số hóa lý, vi sinh ($BOD_5$, $COD$, $TSS$, $NH_4^+ - N$, $P_{\text{tổng}}$, Fecal coliform).
4. Phân tích bài toán kinh tế - năng lượng (mức giảm chi phí chất đốt, tỷ suất hoàn vốn) và xây dựng bộ giải pháp kỹ thuật, chính sách mở rộng mô hình.

Phạm vi và giới hạn: Nghiên cứu tập trung vào 47 công trình hầm ủ khí sinh học quy mô gia đình ($7 - 9\text{ m}^3$) tại địa bàn thị trấn Na Hang trong khung thời gian điều tra thực địa từ tháng 05/2014 đến tháng 08/2014.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại khu vực khảo sát, các phương thức xử lý chất thải truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng:

Tiêu chí	Thải trực tiếp ra mương/sông suối	Ủ phân thủ công hở	Hầm ủ Biogas xây gạch (KT1/KT2)	Hầm ủ Biogas nhựa Composite
Hiệu quả xử lý COD/BOD	0% (gây ô nhiễm nước mặt)	20 - 30% (mất đạm, thấm đất)	65 - 75%	75 - 85%
Kiểm soát mùi & Mầm bệnh	Kém, ruồi nhặng phát triển	Ô nhiễm không khí diện rộng	Khá (vẫn có nguy cơ rò rỉ)	Rất tốt (khử trùng kỵ khí 80-100%)
Thu hồi năng lượng	Hoàn toàn không	Không	Trung bình ($0,05\text{ m}$ cột nước)	Cao ($1,6\text{ m}$ cột nước)
Độ bền & Độ kín khí	Không áp dụng	Không áp dụng	Dễ lún nứt, rò rỉ khí	Tuyệt đối kín, chịu lực tốt
Chi phí lắp đặt ban đầu	0 VNĐ	Rất thấp (< 1 triệu VNĐ)	11 - 15 triệu VNĐ	8 - 14 triệu VNĐ

Áp dụng phương pháp phân loại yêu cầu kỹ thuật MoSCoW cho hệ thống xử lý chất thải phân lợn nông hộ:

• Must have (Bắt buộc): Buồng phân hủy kỵ khí kín tuyệt đối, van thu khí an toàn, khả năng tách pha rắn - lỏng cơ bản, giảm thiểu nồng độ $BOD_5$, $COD$ và diệt vi khuẩn Fecal coliform.
• Should have (Nên có): Cơ chế tự động phá váng bề mặt, tự động đẩy bã thải ra bể xả, bộ lọc khử mùi khí $H_2S$.
• Could have (Có thể có): Đồng hồ đo áp lực khí gas, van xả áp tự động không cần bình điều áp phụ, bộ tích áp kết nối máy phát điện mini hoặc bình nước nóng.
• Won't have (Chưa áp dụng): Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động $35^\circ\text{C}$ (Mesophilic control) bằng điện trở nhiệt (do chi phí vượt ngưỡng nông hộ).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống xử lý kỵ khí bằng hầm ủ Biogas Composite dạng hình cầu đúc sẵn gồm 3 cụm cấu trúc chính tích hợp nguyên khối:

          [ Cửa nạp nguyên liệu ]                [ Van dẫn khí CH4 / Lọc H2S ]

Thông số kỹ thuật của hệ sinh thái công nghệ:

• Vật liệu chế tạo: Nhựa Polyester gia cường sợi thủy tinh (FRP - Fiber Reinforced Polymer) và sợi Carbon cao cấp, kháng ăn mòn axit béo bay hơi ($VFA$) và khí $H_2S$.
• Thể tích danh định ($V$): $7\text{ m}^3$ (đáp ứng 6 – 10 lợn) và $9\text{ m}^3$ (đáp ứng 11 – 20 lợn).
• Áp lực khí vận hành: Đạt tới $1,6\text{ m}$ cột nước ($15,7\text{ kPa}$), tự cân bằng áp lực thông qua chênh lệch mực nước tại 2 cổ nạp và xả.
• Thời gian lưu thủy lực (HRT - Hydraulic Retention Time): $10 - 15\text{ ngày}$ đối với cơ chất phân lợn pha loãng.
• Tải trọng nạp hữu cơ (Organic Loading Rate - OLR): $1,5 - 2,5\text{ kg TS/m}^3\cdot\text{ngày}$.
• Tỷ lệ phối trộn tiêu chuẩn: $1,5\text{ kg phân tươi} + 30\text{ lít nước}$ $\rightarrow$ Hỗn hợp bùn lỏng nồng độ chất rắn lơ lửng ($TSS$) xấp xỉ $5%$.

Động học sinh hóa trong buồng phân hủy:

Quá trình phân giải yếm khí diễn ra tuần tự qua 3 giai đoạn:

1. Thủy phân (Hydrolysis): $$\text{Polysaccharides, Protein, Lipid} \xrightarrow{\text{Enzyme cellulase, protease}} \text{Monosaccharides, Amino acids, Fatty acids}$$
2. Axit hóa (Acidogenesis & Acetogenesis): $$\text{Monomers} \xrightarrow{\text{Vi khuẩn axit hóa}} CH_3COOH + CO_2 + H_2 + \text{Axit hữu cơ ngắn}$$
3. Metan hóa (Methanogenesis): $$CH_3COOH \xrightarrow{\text{Acetotrophic methanogens}} CH_4 + CO_2$$ $$CO_2 + 4H_2 \xrightarrow{\text{Hydrogenotrophic methanogens}} CH_4 + 2H_2O$$

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận đa chiều, tích hợp đo đạc thực địa và phân tích thống kê:

• Khảo sát xã hội học môi trường: Lập bảng hỏi cấu trúc điều tra chọn mẫu trực tiếp tại 47 hộ gia đình sở hữu hầm Biogas trên tổng số 20 tổ dân phố/thôn của thị trấn Na Hang.
• Phương pháp quan trắc và phân tích: Lấy mẫu nước thải chăn nuôi đầu vào (tại hố thu gom trước bể) và đầu ra (tại cửa xả bể điều áp) theo TCVN; phân tích các thông số ô nhiễm $BOD_5$ ($20^\circ\text{C}$, 5 ngày), $COD$ (phương pháp chuẩn độ Bicromat), $TSS$ (sấy khô $105^\circ\text{C}$), $NH_4^+ - N$, Photpho tổng số và Fecal coliform (phương pháp MPN).
• Phương pháp tính toán kinh tế: So sánh cân bằng chi phí nhiên liệu trước và sau lắp đặt: $$\Delta C = (C_{\text{củi, trước}} + C_{\text{gas LPG, trước}}) - (C_{\text{củi, sau}} + C_{\text{gas LPG, sau}})$$
• Đảm bảo chất lượng (QA/QC): Số liệu được kiểm tra chéo qua báo cáo thống kê phòng Nông nghiệp & PTNT và Hội Nông dân huyện Na Hang.

---

Triển khai thực tế và kết quả

Quy trình công nghệ và vận hành nạp liệu

Quy trình nạp liệu, kiểm soát tải lượng và giám sát áp suất sinh khí được chuẩn hóa theo quy chuẩn vận hành khép kín:

class BiogasDigesterSystem:
    """Mô hình tính toán cân bằng tải nạp và sản lượng khí sinh học hộ gia đình."""
    def __init__(self, pig_count: int, digester_volume_m3: float):
        self.pig_count = pig_count
        self.digester_volume_m3 = digester_volume_m3
        self.manure_per_pig_day = 1.3  # kg/con/ngày (khối lượng phân thu gom thực tế)
        self.water_per_pig_day = 35.0  # lít/con/ngày (nước tiểu + nước xịt chuồng)
        self.gas_yield_per_kg_manure = 0.050  # m3 Biogas / kg phân tươi lợn
        self.ch4_percentage = 0.60  # Hàm lượng Methane trung bình 60%
        self.calorific_value_ch4 = 37.7  # MJ/m3 CH4 tinh khiết

    def calculate_daily_metrics(self) -> dict:
        total_manure = self.pig_count * self.manure_per_pig_day
        total_slurry = total_manure + (self.pig_count * self.water_per_pig_day)
        hrt_days = (self.digester_volume_m3 * 1000) / total_slurry
        
        daily_biogas_m3 = total_manure * self.gas_yield_per_kg_manure
        daily_ch4_m3 = daily_biogas_m3 * self.ch4_percentage
        daily_energy_mj = daily_ch4_m3 * self.calorific_value_ch4

        return {
            "daily_manure_kg": round(total_manure, 2),
            "daily_slurry_liters": round(total_slurry, 2),
            "actual_hrt_days": round(hrt_days, 1),
            "biogas_output_m3_day": round(daily_biogas_m3, 3),
            "methane_output_m3_day": round(daily_ch4_m3, 3),
            "energy_equivalent_kwh": round(daily_energy_mj / 3.6, 2)
        }

# Chạy mô phỏng cho hộ chăn nuôi 15 con lợn với bể Composite 9m3
household_system = BiogasDigesterSystem(pig_count=15, digester_volume_m3=9.0)
metrics = household_system.calculate_daily_metrics()

Kết quả kiểm định chất lượng nước thải

Hiệu quả làm sạch các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn qua hầm phân hủy kỵ khí Biogas được tổng hợp chi tiết qua kết quả phân tích nồng độ trước và sau xử lý:

Thông số ô nhiễm	Đơn vị đo	Nồng độ nước thải đầu vào (Trước Biogas)	Nồng độ nước thải đầu ra (Sau Biogas)	Hiệu suất xử lý trung bình (%)
Amoni ($NH_4^+ - N$)	$\text{mg/L}$	224 – 512	106 – 421	35,4%
Nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$)	$\text{mg/L}$	873 – 1.690	192 – 582	72,6%
Nhu cầu oxy hóa học ($COD$)	$\text{mg/L}$	1.794 – 3.871	264 – 789	81,2%
Tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$)	$\text{mg/L}$	1.528 – 4.521	188 – 821	82,5%
Photpho tổng ($P_{\text{tổng}}$)	$\text{mg/L}$	131 – 512	122 – 492	7,8%
Vi khuẩn Fecal coliform	$\text{MPN/100mL}$	$4,3 \times 10^7$	$1,5 \times 10^6$	96,5%

BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT KHỬ CÁC THÔNG SỐ Ô NHIỄM CHÍNH (%)
COD            [████████████████████████████████████████] 81.2%
TSS            [████████████████████████████████████████] 82.5%
BOD5           [██████████████████████████████████      ] 72.6%
Fecal Coliform [████████████████████████████████████████] 96.5%
NH4+-N         [█████████████████                       ] 35.4%
P_tổng         [████                                    ]  7.8%

Kết quả kinh tế và mức độ hài lòng cộng đồng

Khảo sát hạch toán tài chính thực tế tại 2 nông hộ điển hình lắp đặt bể Biogas Composite $9\text{ m}^3$ (chi phí đầu tư ban đầu 12.000.000 VNĐ/hầm):

Chỉ tiêu tài chính	Hộ ông Hà Minh Thức (Quy mô 14 con lợn)	Hộ bà Lương Thị Kín (Quy mô 16 con lợn)
Chi phí năng lượng trước lắp đặt	733.000 VNĐ/tháng	1.033.000 VNĐ/tháng
- Tiền củi ($300.000\text{ đ/m}^3$)	600.000 VNĐ ($2\text{ m}^3$)	900.000 VNĐ ($3\text{ m}^3$)
- Gas công nghiệp ($400.000\text{ đ/bình}$)	133.000 VNĐ (1/3 bình)	133.000 VNĐ (1/3 bình)
Chi phí năng lượng sau khi dùng Biogas	150.000 VNĐ/tháng	300.000 VNĐ/tháng
- Tiền củi phụ trợ	150.000 VNĐ ($0,5\text{ m}^3$)	300.000 VNĐ ($1\text{ m}^3$)
- Gas công nghiệp	0 VNĐ (thay thế 100%)	0 VNĐ (thay thế 100%)
Số tiền tiết kiệm thực tế	583.000 VNĐ/tháng	733.000 VNĐ/tháng
Mức tiết kiệm bình quân năm	6.996.000 VNĐ/năm	8.796.000 VNĐ/năm
Thời gian thu hồi vốn (Payback period)	1,71 năm (20,5 tháng)	1,36 năm (16,3 tháng)

Khảo sát toàn bộ 47 hộ gia đình lắp đặt:

• 100% hộ dân ghi nhận hiện tượng hết hẳn ruồi nhặng tích tụ tại hố phân và không còn mùi xộc chuồng trại.
• 100% hộ gia đình trả lời "Rất hài lòng" về độ ổn định cấp khí đun nấu quanh năm.

---

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu chỉ ra bước chuyển đổi công nghệ rõ nét trong giai đoạn 2004 - 2014 tại vùng cao Na Hang: từ hầm vòm xây gạch truyền thống sang hầm đúc sẵn Composite:

TIẾN TRÌNH CHUYỂN DỊCH CÔNG NGHỆ HẦM Ủ BIOGAS QUA CÁC GIAI ĐOÀN

     Số hầm lắp mới
                   2004-2006   2007-2009   2010-2012   2013-2014

Các đột phá kỹ thuật cốt lõi:

1. Cơ chế tự động phá váng 100%: Nhờ kết cấu hình cầu kín và độ co giãn đàn hồi của sợi Composite, sự dao động thể tích của lớp dịch phân giải khi sinh/xả khí tạo ra sóng cơ học liên tục bẻ gãy lớp váng đóng màng bề mặt, khắc phục hoàn toàn điểm yếu tắc vòm của hầm gạch.
2. Khả năng tự điều áp thông minh: Áp suất đạt tới $1,6\text{ m}$ cột nước cho phép đẩy khí đi xa trên $100\text{ m}$ mà không cần máy nén khí phụ trợ; khi áp suất vượt ngưỡng an toàn, khí tự xả ngược qua cột áp thủy lực mà không gây nguy cơ rạn nứt nổ vòm.
3. Hiệu suất sinh khí vượt trội: Sản lượng đạt $0,69 - 0,76\text{ m}^3\text{ khí/kg chất khô}$ từ phân lợn với nồng độ $CH_4$ duy trì từ $58 - 60%$, cao hơn $20 - 30%$ so với hầm gạch thông thường do không bị thất thoát vi mô qua các mao dẫn vữa xây.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai theo quy mô đàn vật nuôi

• Hộ chăn nuôi nhỏ (4 – 10 con lợn): Sử dụng hầm Biogas Composite $7\text{ m}^3$. Lượng khí sinh ra đạt $0,8 - 1,5\text{ m}^3/\text{ngày}$, đáp ứng hoàn toàn nhu cầu đun nấu 3 bữa/ngày cho hộ 4 - 5 người.
• Hộ chăn nuôi vừa (11 – 20 con lợn): Sử dụng hầm Biogas Composite $9\text{ m}^3$. Cung cấp dư thừa lượng khí đun nấu ($1,8 - 3,0\text{ m}^3/\text{ngày}$), có thể lắp bổ sung bình nước nóng chạy gas sinh học hoặc đèn thắp sáng trang trại.

Yêu cầu mặt bằng và lắp đặt:

• Đào hố móng hình trụ sâu $2,5\text{ m}$, đường kính rộng hơn vỏ hầm $0,4\text{ m}$.
• Đặt bể nguyên khối bằng cẩu hoặc thủ công (thời gian định vị và ghép nối đường ống nhựa PVC Class 2 chỉ từ 2 – 4 giờ).
• Lắp đặt bộ lọc khử mùi chứa oxit sắt ($Fe_2O_3$) để loại bỏ $H_2S$, bảo vệ bếp gas và đường ống dẫn không bị oxy hóa hoen gỉ.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Các hạn chế kỹ thuật ghi nhận:

1. Nồng độ ô nhiễm sau xử lý kỵ khí: Mặc dù $BOD_5$ giảm $72,6%$ và $COD$ giảm $81,2%$, song giá trị tuyệt đối đầu ra ($BOD_5: 192 - 582\text{ mg/L}$; $COD: 264 - 789\text{ mg/L}$) vẫn vượt ngưỡng QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B về nước thải chăn nuôi nếu xả trực tiếp ra mương thủy lợi.
2. Ảnh hưởng nhiệt độ mùa đông miền núi: Vào mùa khô lạnh (tháng 11 đến tháng 2 năm sau), nhiệt độ Na Hang có thể giảm xuống dưới $10^\circ\text{C}$, khiến hoạt tính của vi khuẩn sinh metan giảm $40 - 60%$, kéo theo sản lượng khí giảm sút tạm thời.
3. Chi phí tiếp cận công nghệ: Mức giá $8 - 14\text{ triệu VNĐ}$ còn là rào cản lớn với các hộ nghèo vùng đồng bào dân tộc thiểu số khi thiếu nguồn tín dụng ưu đãi.

Hướng phát triển công nghệ:

• Tích hợp mô hình xử lý thứ cấp sau Biogas: Thiết kế chuỗi bể lắng lọc sinh học kết hợp bãi lọc thực vật trồng thủy sinh (cỏ Vertiver, bèo tây, sậy) nhằm triệt tiêu hoàn toàn $NH_4^+ - N$ và Photpho dư thừa.
• Tận dụng bã bùn thải (Bio-slurry): Ủ yếm khí thứ cấp kết hợp nấm đối kháng Trichoderma để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh bón cho cây ăn quả đặc sản và rừng trồng sản xuất tại địa phương.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nông hộ chăn nuôi: Giảm tải $80 - 100%$ chi phí chất đốt sinh hoạt hàng tháng, giải phóng sức lao động phụ nữ trong việc thu gom củi rừng, bảo vệ sức khỏe đường hô hấp do không còn khói bếp.
• Cộng đồng dân cư nông thôn: Triệt tiêu các ổ dịch bệnh ký sinh trùng, nâng cao chất lượng nguồn nước ngầm và bảo vệ cảnh quan môi trường sống đạt chuẩn Nông thôn mới.
• Kỹ sư và nhà nghiên cứu môi trường: Sở hữu bộ dữ liệu đo đạc thực chứng về hiệu suất phân hủy kỵ khí cơ chất phân lợn tại tiểu vùng khí hậu miền núi phía Bắc.
• Cơ quan quản lý Nhà nước: Cung cấp cơ sở thực tiễn để Phòng Tài nguyên & Môi trường, Trạm Khuyến nông xây dựng chính sách trợ giá và giải ngân nguồn vốn vay ưu đãi.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện tối thiểu về mặt bằng và đàn nuôi để lắp đặt hầm 7m³?

Nông hộ cần duy trì thường xuyên tối thiểu từ 4 – 5 con lợn thịt (hoặc 1 con bò/trâu) và diện tích đất trống ngoài trời tối thiểu $10\text{ m}^2$ gần chuồng nuôi để đào hố chôn hầm. Khoảng cách an toàn tới nguồn nước giếng khơi tối thiểu $5\text{ m}$.

2. Tại sao hầm Composite có thể tự phá váng mà không cần khuấy đảo thủ công?

Hầm Composite có kết cấu hình cầu với buồng chứa khí liền khối kín tuyệt đối. Khi áp suất khí gas tăng lên ($1,6\text{ m}$ cột nước), mức chất lỏng bị nén ép đẩy lùi về phía 2 cổ nạp/xả; khi bật bếp đun (áp suất xả về 0), cột chất lỏng ập ngược trở lại buồng phân giải. Sự chuyển động dâng - hạ liên tục tạo lực thủy động học tự động đánh tan lớp váng hữu cơ bề mặt.

3. Nước thải sau hầm Biogas có thể xả trực tiếp ra ao nuôi cá không?

Không nên xả trực tiếp với lưu lượng lớn do nồng độ Amoni ($106 - 421\text{ mg/L}$) và $COD$ còn cao, có thể gây phú dưỡng hóa và thiếu hụt oxy hòa tan ($DO$) làm chết cá. Cần dẫn nước thải qua ao sinh học lắng lọc thứ cấp hoặc pha loãng với nước sạch theo tỷ lệ $1:5$ trước khi cấp vào ao nuôi.

4. Biện pháp xử lý khi hầm Biogas sinh ít khí vào mùa đông?

Vào mùa lạnh, cần che chắn kín chuồng nuôi, bổ sung nước ấm khi pha trộn phân, tăng tỷ lệ thu gom phân tươi đậm đặc và giảm lượng nước xịt chuồng dư thừa nhằm duy trì nồng độ chất khô ($TS$) trong hầm ở mức $8 - 10%$.

5. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn trung bình là bao lâu?

Tổng chi phí trọn gói lắp đặt hầm Composite dung tích $7 - 9\text{ m}^3$ dao động từ 8 đến 14 triệu VNĐ. Với mức tiết kiệm nhiên liệu đun nấu từ $580.000 - 730.000\text{ VNĐ/tháng}$, thời gian thu hồi toàn bộ vốn đầu tư chỉ từ 1,3 đến 1,7 năm.

---

Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã khẳng định mô hình hầm ủ Biogas Composite là giải pháp công nghệ tối ưu, đáp ứng mục tiêu kép: xử lý triệt để ô nhiễm chất thải chăn nuôi lợn quy mô nông hộ và khai thác bền vững nguồn năng lượng tái tạo tại huyện Na Hang, tỉnh Tuyên Quang.

Với hiệu quả giảm thiểu $81,2%$ $COD$, $72,6%$ $BOD_5$ và $96,5%$ vi khuẩn Fecal coliform, công nghệ đóng góp trực tiếp vào công tác bảo vệ lưu vực sinh thái sông Gâm và hồ thủy điện Tuyên Quang. Về mặt kinh tế, mô hình mang lại dòng tiền tiết kiệm thực tế gần 9 triệu đồng mỗi năm cho mỗi hộ gia đình, mở ra triển vọng nhân rộng mô hình kinh tế tuần hoàn tại các địa bàn nông thôn miền núi trên cả nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong bối cảnh tài nguyên năng lượng hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt, năng lượng mới tái tạo đã và đang trở thành mối quan tâm không phải chỉ riêng mỗi quốc gia nào mà trở thành vấn đề toàn cầu. Một trong những năng lượng gần gũi nhất với chúng ta đó là năng lượng có từ sự phân hủy của các loại phân chuồng gia súc như trâu, bò, lợn… đó chính là năng lượng khí sinh học hay còn gọi là Biogas. Biogas là nguồn năng lượng sạch đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Công nghệ Biogas không những giải quyết được tình trạng ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp nguồn năng lượng sạch phục vụ đun nấu, thắp sáng trong gia đình góp phần quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

Ở nước ta, ngành chăn nuôi đã có nhiều bước phát triển mạnh góp phần không nhỏ trong việc phát triển kinh tế và tăng thu nhập cho người nông dân, giúp người nông dân làm giàu, nâng cao mức sống. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của đàn gia súc cùng với lượng chất thải khổng lồ thải ra mỗi ngày cũng đã gây ra áp lực lớn lên môi trường. Việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học là một giải pháp hiệu quả phù hợp với tình hình Việt Nam để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả ở các vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng công nghệ biogas cho các hộ gia đình chăn nuôi ở vùng nông thôn là rất lớn.

Na Hang là một huyện miền núi vùng cao, chủ yếu người dân sống dựa vào hoạt động trồng trọt, chăn nuôi gia súc, gia cầm. Chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi gây ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề bức xúc đòi hỏi phải có biện pháp giải quyết hiệu quả. Hoạt động chăn nuôi trên địa bàn chủ yếu là chăn nuôi lợn với lượng phân thải ra rất lớn và nặng mùi khó chịu, ngoài ra còn có các loại chất phụ phẩm như thức ăn thừa, chất độn chuồng… Các loại chất thải này không được xử lý triệt để gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân. n 2 Qua quá trình tìm hiểu và tiếp cận với công nghệ biogas thì công nghệ này đã và đang trở thành giải pháp hữu hiệu được người dân đón nhận tích cực để giải quyết vấn đề trên.

Đề tài “Khảo sát tình hình sử dụng hầm ủ biogas và hiệu quả của mô hình trong việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ gia đình tại thị trấn Na Hang-Huyện Na Hang-Tỉnh Tuyên Quang” để đánh giá những lợi ích mà biogas mang lại qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng và mở rộng phạm vi ứng dụng hơn nữa.2 Mục tiêu của đề tài - Đánh giá tình hình chăn nuôi và xử lý chất thải chăn nuôi của các hộ gia đình trên địa bàn thị trấn Na Hang. - Đánh giá tình hình ứng dụng hầm ủ biogas để xử lý chất thải chăn nuôi tại thị trấn Na Hang. - Đánh giá hiệu quả môi trường và kinh tế mà mô hình mang lại. - Đề xuất các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của hầm biogas.3 Yêu cầu của đề tài - Đưa ra được điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của thị trấn Na Hang.

- Đảm bảo thông tin, số liệu đầy đủ, chính xác. - Phản ánh đúng tình trạng quản lý, sử dụng hầm biogas tại địa phương. - Các giải pháp đánh giá khả thi phù hợp với điều kiện của địa phương.4 Ý nghĩa của đề tài Trong học tập và nghiên cứu khoa học: - Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút kinh nghiệm thực tế phục vụ cho công tác sau này. - Vận dụng và phát huy được những kiến thức đã học vào nghiên cứu khoa học.

Trong thực tiễn: - Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao sự hiểu biết, quan tâm và ủng hộ của người dân về việc sử dụng hầm biogas trong sinh hoạt và sản xuất. - Làm căn cứ cho cơ quan chức năng tăng cường công tác tuyên truyền cho người dân về bảo vệ môi trường nông thôn. - Đề xuất các biện pháp quản lý và kỹ thuật để nâng cao hiệu quả sử dụng của hầm Bogas. n 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ sở lý luận của đề tài 2.1 Các khái niệm Chất thải là những chất không còn được sử dụng cùng với những chất độc được xuất ra từ chúng.

Chất thải của động vật trong chăn nuôi nông nghiệp là nguồn nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyển hóa sinh học để tạo Biogas. Khối lượng chất thải phát sinh có sự khác nhau, tùy theo từng loại gia súc, gia cầm, điều kiện chăn nuôi, đặc điểm chuồng trại và đặc điểm ngành của từng quốc gia. Biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra khi chất thải động vật và các chất hữu cơ (phụ phẩm nông nghiệp) bị lên men trong điều kiện kỵ khí. Vi sinh vật phân hủy các chất tổng hợp và khí được sinh ra.

Biogas là hỗn hợp bao gồm metan, cacbon dioxit, nito, hydro sunfua… 2.2 Những ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi. Chất thải chăn nuôi là nguyên nhân gây ô nhiễm lớn cho môi trường tự nhiên, các khí thải từ vật nuôi chiếm tỉ trọng lớn trong các khí thải gây nên hiệu ứng nhà kính. Theo báo cáo của FAO, chất thải của gia súc toàn cầu tạo ra 65% lượng Nito oxit (NO2) trong khí quyển. Đây là loại khí có khả năng hấp thu năng lượng mặt trời cao gấp 296 lần so với khí CO2.

Động vật nuôi còn thải ra 9% lượng khí CO2 toàn cầu, 37% lượng khí Methane (CH4)_ loại khí có khả năng giữ nhiệt cao gấp 23 lần khí CO2. Theo thống kê năm 2010 của Cục chăn nuôi, cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình và 18000 trang trại nuôi tập trung với tổng đàn 300 triệu con gia cầm và hơn 37 triệu con gia súc, nguồn chất thải từ chăn nuôi ước khoảng 84,45 triệu tấn. Trong đó có khoảng 5 – 20% được sử dụng làm phân bón cho nông nghiệp dưới dạng phân tươi hoặc ủ thủ công, số phân còn lại được thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm môi trường. n 4 Hiện nay, còn nhiều trang trại chăn nuôi lợn, bò hàng ngày thải ra một lượng lớn chất thải không được xử lý và đổ trực tiếp vào hệ thống thoát nước, kênh mương làm ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt, sản xuất của người dân, làm tăng tỉ lệ người mắc bệnh tiêu chảy và các bệnh về da liễu.

Ô nhiễm do chất thải chăn nuôi không chỉ ảnh hưởng nặng tới môi trường sống dân cư mà còn gây ô nhiễm nguồn nước, tài nguyên đất và ảnh hưởng lớn đến kết quả sản xuất chăn nuôi. Các hoạt động gây ô nhiễm do chăn nuôi vẫn đang tiếp tục diễn ra ở nhiều nơi trên cả nước. Tình trạng chăn nuôi thả rông, chăn thả trên đất dốc, đầu nguồn nước… còn khá phổ biến đã làm tăng diện tích đất xói mòn, suy giảm chất lượng nước, giảm thiểu khả năng sản xuất nông nghiệp. Ô nhiễm môi trường còn dễ dàng làm phát sinh dich bệnh ảnh hưởng không nhỏ đến kết quả chăn nuôi.

Trong những năm gần đây một số loại dịch bệnh nguy hiểm trên đàn gia súc, gia cầm đã bùng phát trên diện rộng như dịch lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn, dịch cúm gia cầm… đã gây ra thiệt hại lớn cho ngành chăn nuôi, ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế của các hộ gia đình chăn nuôi. Một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự bùng phát của dịch bệnh đó là tình trạng ô nhiễm môi trường ở chính trong khu vực chuồng trại và khu vực lân cận mà thường là do chất thải chăn nuôi của chính cơ sở đó gây nên. Ngoài ra, ngành chăn nuôi còn làm giảm lượng nước bổ sung cho các mạch nước ngầm do mất rừng và đất bị thoái hóa, chai cứng giảm khả năng thẩm thấu. Tất cả các tác động tiêu cực của ngành chăn nuôi đến môi trường dẫn đến một kết quả tất yếu là làm suy giảm đa dạng sinh học.

Rõ ràng ngành chăn nuôi phát triển nếu không đi kèm với các biện pháp xử lý chất thải sẽ làm môi trường sống của con người xuống cấp nhanh chóng. Môi trường bị ô nhiễm lại tác động trực tiếp vào sức khỏe vật nuôi, phát sinh dịch bệnh, gây khó khăn trong công tác quản lý, giảm năng suất. Đó không phải là sự phát triển bền vững mà Việt Nam cũng như cả thế giới đang hướng tới.3 Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn Các loại chất thải chăn nuôi bao gồm: - Phân từ gia súc, gia cầm. - Chất độn chuồng.

n 5 - Nước thải từ chuồng trại: Nước tiểu, nước tắm gia súc, nước vệ sinh chuồng trại. - Các thức ăn chăn nuôi thừa. - Phế phẩm nông nghiệp: Lá cây, cành cây, vỏ, hạt… Phân từ gia súc: Là những thành phần từ thức ăn, nước uống mà cơ thể gia súc không thể hấp thụ được và thải ra ngoài cơ thể. Phân gồm những thành phần: + Những dưỡng chất không tiêu hóa được của quá trình tiêu hóa vi sinh.

+ Các chất cặn bã của hệ tiêu hóa (trypsin, pepsin…), các mô tróc ra từ các niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài. + Các loại vi sinh vật trong thức ăn, ruột bị thải ra ngoài theo phân. Lượng phân: Lượng phân thải ra trong một ngày đêm phụ thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần ăn. Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6 – 8% trọng lượng vật nuôi.

Lượng phân thải ra trung bình của lợn trong 24h được thể hiện trong bảng: Bảng 2.1 Ước lượng chất thải phát sinh từ một số loài vật nuôi Khối lượng chất thải có Khối lượng chất thải Loại vật nuôi khả năng thu gom phát sinh (kg/con/ngày) (kg/con/ngày) Trâu, bò 10 – 15 5–8 Lợn 1,3 0,3 Cừu 0,75 0,25 Gia cầm 0,75 0,75 Thành phần trong phân lợn Những chất không tiêu hóa được hoặc những chất thoát khỏi sự tiêu hóa của vi sinh vật hay các men tiêu hóa, các khoáng chất cơ thể không sử dụng được. Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa: trypsin, pepsin… Các mô tróc ra từ niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài. Các VSV bị nhiễm trong thức ăn, ruột: vi trùng, ấu trùng, trứng giun sán… bị tống ra ngoài. n 6 Thành phần các chất trong phân lợn phụ thuộc vào các yếu tố: Thành phần dưỡng chất của thức ăn, nước uống.

Độ tuổi của lợn.