Đánh giá thực trạng sử dụng hầm biogas quy mô hộ gia đình tại xã Thanh Ninh, tỉnh Thái Nguyên

Bài viết đánh giá thực trạng sử dụng hầm biogas quy mô hộ gia đình tại xã Thanh Ninh, tỉnh Thái Nguyên, phân tích hiệu quả và đề xuất giải pháp phát triển bền vững.

• Tác giả: Duong Thi Hong
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Huu Tho
• Trường học: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry
• Chuyên ngành: Environmental Science and Management
• Đề tài: Assessment actuality of using household-scale biogas cellar in Thanh Ninh commune, Thai Nguyen province
• Loại tài liệu: Bachelor thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thai Nguyen

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• 1. PART I. RESEARCH RATIONALE
• 1.1. Objectives of the Study
• 1.2. Research Question
• 1.3. Scope and Limitation of the Study
• 1.4. Significance of the Study
• 2. PART II. OVERVIEW OF BIOGAS
• 2.1. Definitions
• 2.2. Biogas For Sustainable Development
• 2.3. Biogas Production Process
• 2.3.1. Materials for Biogas Production
• 2.3.1.1. Animal material
• 2.3.1.2. Plant Material
• 2.3.2. Phases to produce biogas
• 2.3.2.1. Phase One – Hydrolysis
• 2.3.2.2. Phase Two - Acidogenesis
• 2.3.2.3. Phase Three - Acetogenesis
• 2.3.2.4. Phase Four - Methanogenesis
• 2.4. Benefits of Biogas Technology
• 2.4.1. Benefit in terms of clean energy
• 2.4.2. Benefit in terms of mitigating environment pollution
• 2.4.3. Provide organic fertilizer and animal feedstock
• 2.4.4. Other benefits
• 2.5. Process Development of Biogas Program in the World and Vietnam
• 2.5.1. Process development of biogas program in The World
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF REFERENCES

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hầm biogas và tình hình sử dụng tại xã Thanh Ninh

Hầm biogas là một công nghệ xử lý chất thải hữu cơ thông qua quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện kỵ khí, tạo ra năng lượng tái tạo dưới dạng khí methane. Tại xã Thanh Ninh, tỉnh Thái Nguyên, việc sử dụng hầm biogas quy mô hộ gia đình đã được áp dụng để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ chất thải chăn nuôi và nông nghiệp. Nghiên cứu này đánh giá thực trạng sử dụng hầm biogas tại địa phương, nhấn mạnh vào lợi ích và thách thức trong việc triển khai công nghệ này.

1.1. Tổng quan về công nghệ biogas

Công nghệ biogas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp nguồn năng lượng sạch. Quá trình phân hủy sinh học trong hầm biogas chuyển hóa chất thải thành khí methane và CO2, đồng thời tạo ra bioslurry - một loại phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng. Tại xã Thanh Ninh, công nghệ này đã được áp dụng từ năm 2014 đến 2016, với số lượng hầm biogas tăng dần theo từng năm.

1.2. Tình hình sử dụng hầm biogas tại xã Thanh Ninh

Theo nghiên cứu, số lượng hầm biogas tại xã Thanh Ninh đã tăng từ 100 hộ vào năm 2014 lên 150 hộ vào năm 2016. Tuy nhiên, việc sử dụng hầm biogas vẫn còn hạn chế do thiếu hiểu biết về công nghệ và chi phí đầu tư ban đầu cao. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, các hộ gia đình sử dụng hầm biogas chủ yếu để xử lý chất thải chăn nuôi và tạo ra năng lượng phục vụ sinh hoạt.

II. Lợi ích và thách thức của việc sử dụng hầm biogas

Việc sử dụng hầm biogas mang lại nhiều lợi ích về môi trường, kinh tế, và xã hội. Tuy nhiên, cũng tồn tại những thách thức trong quá trình triển khai và vận hành. Nghiên cứu này phân tích các lợi ích hầm biogas và đề xuất giải pháp để tăng hiệu quả sử dụng.

2.1. Lợi ích của hầm biogas

Hầm biogas giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường bằng cách xử lý chất thải chăn nuôi và nông nghiệp. Khí methane thu được từ hầm biogas có thể sử dụng để nấu ăn, thắp sáng, và thậm chí sản xuất điện. Bioslurry từ hầm biogas là nguồn phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng, giúp cải thiện chất lượng đất và tăng năng suất cây trồng.

2.2. Thách thức trong sử dụng hầm biogas

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc sử dụng hầm biogas tại xã Thanh Ninh vẫn gặp phải một số thách thức. Chi phí đầu tư ban đầu cao là rào cản lớn đối với các hộ gia đình. Ngoài ra, việc thiếu kiến thức về vận hành và bảo dưỡng hầm biogas cũng dẫn đến hiệu quả sử dụng không cao. Nghiên cứu đề xuất cần có các chính sách hỗ trợ và đào tạo để nâng cao nhận thức của người dân.

III. Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng hầm biogas

Để tăng hiệu quả sử dụng hầm biogas tại xã Thanh Ninh, nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cụ thể. Các giải pháp này tập trung vào việc hỗ trợ tài chính, đào tạo kỹ thuật, và nâng cao nhận thức của người dân về công nghệ biogas.

3.1. Hỗ trợ tài chính và chính sách

Một trong những giải pháp quan trọng là cung cấp các gói hỗ trợ tài chính để giảm bớt gánh nặng chi phí đầu tư ban đầu cho các hộ gia đình. Chính quyền địa phương cần xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng hầm biogas, như giảm thuế hoặc hỗ trợ lãi suất vay vốn.

3.2. Đào tạo và nâng cao nhận thức

Việc đào tạo kỹ thuật vận hành và bảo dưỡng hầm biogas là cần thiết để đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài. Các chương trình tập huấn nên được tổ chức thường xuyên để nâng cao nhận thức của người dân về lợi ích của công nghệ biogas và cách sử dụng hiệu quả.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Hoạt động chăn nuôi nông hộ tại Việt Nam chiếm hơn 70% cơ cấu sản xuất nông nghiệp nông thôn, nhưng việc xử lý chất thải hữu cơ chưa qua kiểm soát đang gây áp lực nghiêm trọng lên hệ sinh thái đất, nước ngầm và không khí. Tại xã Thanh Ninh, huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên, tổng đàn gia súc gia cầm đạt trên 3.358 con phân bổ ở 1.176 hộ chăn nuôi (chiếm 75,2% trên tổng 1.563 hộ dân), nhưng chỉ có 100 hộ ứng dụng công nghệ khí sinh học (Biogas). Phương thức xả thải truyền thống trực tiếp ra hệ thống mương, ao hồ lân cận lưu vực sông Cầu gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, phát tán khí nhà kính methane ($CH_4$) có tiềm năng làm nóng toàn cầu ($GWP$) cao gấp 21 lần so với $CO_2$, đồng thời làm tăng nguy cơ bùng phát dịch bệnh đường ruột và ký sinh trùng.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BỐI CẢNH DỰ ÁN & VẤN ĐỀ CỐT LÕI                           |
|                                                                               |
|  1.563 Hộ dân       1.176 Hộ chăn nuôi      100 Hầm Biogas (8,5% độ phủ)      |
|  (Xã Thanh Ninh) -> (3.358 Đầu vật nuôi) -> (Quản lý chất thải nông hộ)       |
|                                                                               |
|  * Vấn đề: 91,5% chất thải xả hở -> Ô nhiễm BOD5/TSS -> Thất thoát năng lượng |
|  * Giải pháp: Khảo sát, chuẩn hóa kỹ thuật hầm ủ kỵ khí vòm cầu cố định       |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Dự án "Đánh giá thực trạng sử dụng hầm biogas quy mô hộ gia đình tại xã Thanh Ninh, huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên" (Assessment actuality of using household-scale biogas cellar in Thanh Ninh commune, Phu Binh district, Thai Nguyen province) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán xử lý chất thải chăn nuôi kết hợp thu hồi năng lượng tái tạo và phụ phẩm nông nghiệp sạch.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng phân bổ, quy mô dung tích (6 - 60 $m^3$) và chủng loại công nghệ hầm ủ biogas tại 13 xóm thuộc xã Thanh Ninh giai đoạn 2014 - 2016.
2. Phân tích thực nghiệm các thông số ô nhiễm đầu vào và hiệu quả xử lý sinh hóa đầu ra ($BOD_5$, $TSS$, Tổng N, Tổng P) của hệ thống xử lý kỵ khí.
3. Đánh giá hiệu quả kinh tế (tiết kiệm chi phí năng lượng đun nấu, thắp sáng) và lợi ích sinh thái - xã hội của công nghệ biogas kết hợp tái sử dụng phụ phẩm bùn thải sinh học (bio-slurry).
4. Đề xuất quy trình kỹ thuật vận hành, phối trộn cơ chất và giải pháp chính sách nhân rộng mô hình kinh tế tuần hoàn phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội địa phương.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:

• Địa bàn nghiên cứu: 100 hộ gia đình lắp đặt và vận hành hầm biogas trên địa bàn xã Thanh Ninh, huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên.
• Đối tượng khảo sát: Hầm ủ kỵ khí quy mô gia đình, nguồn cơ chất phân động vật (lợn, trâu, bò, gia cầm) và mẫu nước thải/bùn ủ kỵ khí.
• Giới hạn: Phân tích thực nghiệm tập trung vào 4 tổ hợp mẫu đối chứng đầu vào/đầu ra tại Viện Khoa học Sự sống - Đại học Thái Nguyên; thời gian khảo sát thực địa trong chu kỳ từ năm 2014 đến tháng 06/2016.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại địa bàn xã Thanh Ninh trước năm 2016, việc xử lý chất thải chăn nuôi tồn tại 3 hình thức chính với những ưu nhược điểm kỹ thuật rõ rệt:

Giải pháp xử lý	Ưu điểm	Nhược điểm / Hạn chế	Hiệu quả môi trường
Xả thải trực tiếp vào mương/hồ	Không tốn chi phí đầu tư hạ tầng	Ô nhiễm hữu cơ nặng, phát sinh mầm bệnh, mùi hôi nồng nặc ($NH_3, H_2S$)	Cực thấp (BOD vượt chuẩn >20 lần)
Ủ phân chuồng truyền thống (Ủ hở)	Tạo nguồn phân bón rắn thô	Mất dinh dưỡng đạm (bay hơi $NH_3$), không diệt hết trứng giun sán (96-98% còn tồn lưu)	Trung bình (nguy cơ rửa trôi khi mưa lớn)
Hầm Biogas nắp vòm cầu cố định	Thu hồi 100% khí đốt, giảm >90% $BOD_5$, diệt khuẩn kỵ khí	Chi phí đầu tư ban đầu 13 - 18 triệu VNĐ, đòi hỏi tay nghề xây dựng kín khí	Rất cao ($BOD_5$ giảm về mức an toàn)

Phân loại yêu cầu triển khai theo mô hình MoSCoW:

• Must have (Bắt buộc): Hầm kín khí tuyệt đối chịu áp lực 80 - 120 cm cột nước; đường ống dẫn nạp/xả không tắc nghẽn; van an toàn và đồng hồ đo áp; giảm nồng độ $BOD_5$ nước thải >85%.
• Should have (Nên có): Bể điều áp và thu hồi nước thải bio-slurry riêng biệt để bón cây; bộ lọc khử tạp chất $H_2S$ bằng mạt sắt oxit.
• Could have (Có thể có): Hệ thống máy phát điện chạy khí sinh học cỡ nhỏ; đèn chiếu sáng chuyên dụng bằng biogas.
• Won't have (Không ưu tiên): Hệ thống tự động hóa nạp liệu cơ khí công nghiệp (không khả thi về chi phí với quy mô nông hộ).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống biogas xử lý kỵ khí gia đình được chuẩn hóa theo mô hình hầm nắp vòm cầu cố định (Fixed-dome Digester - chuẩn KT1/KT2). Cấu trúc bao gồm các module chính: Hố thu nạp liệu -> Đường ống nạp cơ chất ($D110$) -> Bể phân giải kỵ khí vòm cầu -> Bể điều áp/thu nhận bio-slurry ($D160$) -> Hệ thống thu hồi và dẫn khí sinh học -> Bếp gas/bộ đốt tiêu thụ.

          [ Cơ chất: Phân lợn + Nước ]
                      |
                      v
             +------------------+
             | Hố thu gom & nạp |
             +------------------+
                      |
                      v
        +----------------------------+
        |  Bể phân hủy kỵ khí vòm cầu | =======( Van & Khí dẫn )======> [ Bếp gas sinh học ]
        |   (Hydrolysis -> Methane)  |
        +----------------------------+
                      |
                      v
        +----------------------------+
        | Bể điều áp & chứa bùn lỏng  | -----------------------------> [ Phân bón Bio-slurry /
        |        (Bio-slurry)        |                                  Thức ăn ao cá ]
        +----------------------------+

Mô hình tính toán năng lực sinh khí sinh học:

Sản lượng khí sinh học ($Y$) tính theo hàm lượng chất thải hữu cơ khô ($dry\ organic\ waste$) được tính toán theo mô hình bán thực nghiệm:

$$Y = \frac{1}{100} (a - n \cdot d)$$

Trong đó:

• $Y$: Thể tích khí sinh học tạo thành ($m^3$) trên mỗi gram chất hữu cơ khô nạp vào.
• $a$: Khả năng phân giải cực đại của chất hữu cơ khô trong điều kiện kỵ khí mesophilic ($30 - 37^\circ\text{C}$).
• $n$: Hệ số hiệu chỉnh độ ẩm tương đối của cơ chất đầu vào.
• $d$: Tỷ lệ phần trăm chất hữu cơ khô trong hỗn hợp phân nạp.

def calculate_biogas_yield(pigs_count: int, dung_per_pig_day: float = 1.34, 
                           dry_matter_pct: float = 0.18, 
                           biogas_yield_per_kg_ts: float = 0.35) -> dict:
    """
    Tính toán lượng phân tươi, cơ chất khô và sản lượng khí biogas hàng ngày.
    - dung_per_pig_day: 1.34 kg/con/ngày (lợn thịt trung bình)
    - dry_matter_pct: 18% hàm lượng chất khô (Total Solids)
    - biogas_yield_per_kg_ts: 0.35 m3/kg TS
    """
    total_fresh_dung = pigs_count * dung_per_pig_day # kg/ngày
    total_dry_matter = total_fresh_dung * dry_matter_pct # kg TS/ngày
    daily_gas_production = total_dry_matter * biogas_yield_per_kg_ts # m3/ngày
    equivalent_electricity_kwh = daily_gas_production * 4.7 # 1 m3 biogas ~ 4.7 kWh
    equivalent_lpg_saving_vnd = daily_gas_production * 7500 # Quy đổi giá trị nhiên liệu
    
    return {
        "fresh_dung_kg": round(total_fresh_dung, 2),
        "dry_matter_kg": round(total_dry_matter, 2),
        "daily_gas_m3": round(daily_gas_production, 2),
        "electricity_kwh": round(equivalent_electricity_kwh, 2),
        "monthly_saving_vnd": round(equivalent_lpg_saving_vnd * 30, 0)
    }

# Áp dụng cho quy mô hộ bình quân nuôi 30 con lợn tại xã Thanh Ninh:
metrics = calculate_biogas_yield(pigs_count=30)
# Output: fresh_dung_kg = 40.2 kg, daily_gas_m3 = 2.53 m3/day (~142.000 VND tiết kiệm/tháng)

Methodology

Nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận đa chiều kết hợp điều tra xã hội học và phân tích hóa lý môi trường:

1. Phương pháp điều tra xã hội học: Thiết kế phiếu phỏng vấn bán cấu trúc khảo sát chọn mẫu ngẫu nhiên đơn giản (Simple Random Sampling) trên 100 hộ sử dụng hầm biogas tại 13 xóm (Nam Hương 1, 2, 3; Đồng Phú; Tiền Phong; Vân Đình; Hòa Bình 1, 2; Làng Quán; Đồng Trong; Phú Yên; Phú Thanh).
2. Phương pháp lấy mẫu hiện trường: Thu thập 4 mẫu chất thải lỏng (gồm 2 mẫu nước thải đầu vào nạp hầm và 2 mẫu nước thải đầu ra sau ủ - bio-slurry) tại các hộ chăn nuôi quy mô điển hình. Mẫu được bảo quản lạnh ở $4^\circ\text{C}$ trong bình thủy tinh $500\text{ ml}$ trung tính theo tiêu chuẩn TCVN.
3. Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm: Phân tích các thông số ô nhiễm ($TSS$, $BOD_5$, Tổng Nitrogen, Tổng Phosphorus) tại Phòng Phân tích Hóa học - Viện Khoa học Sự sống (Đại học Thái Nguyên) bằng phương pháp đo quang phổ chuẩn và sấy cân khối lượng.
4. Phương pháp xử lý số liệu: Thống kê mô tả và phân tích tương quan bằng Microsoft Excel 2016 nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và mức độ hài lòng của cộng đồng.

---

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chuyển hóa phân giải yếm khí chất thải bên trong hầm ủ diễn ra liên tục qua 4 giai đoạn sinh hóa:

• Giai đoạn 1 - Thủy phân (Hydrolysis): Các hợp chất hữu cơ chuỗi dài (protein, lipid, carbohydrate) bị các vi khuẩn kỵ khí phân cắt thành các hợp chất hòa tan đơn giản (axit amin, axit béo, đường glucose).
• Giai đoạn 2 - Lên men axit (Acidogenesis): Vi khuẩn lên men axit chuyển hóa các sản phẩm hòa tan thành các axit béo bay hơi chuỗi ngắn ($CH_3COOH, CH_3CH_2COOH, CH_3(CH_2)_2COOH$), rượu ethanol, giải phóng $CO_2$ và $H_2$.
• Giai đoạn 3 - Lên men axetat (Acetogenesis): Vi khuẩn axetat hóa chuyển đổi các axit hữu cơ và rượu thành acid acetic, $CO_2$ và khí hydro.
• Giai đoạn 4 - Khí hóa Methane (Methanogenesis): Vi sinh vật cổ sinh methane (Methanogenic Archaea) chuyển hóa axetat và phản ứng khử $CO_2$ với $H_2$ thành khí methane ($CH_4$) có nồng độ 55 - 65% thể tích: $$\text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$ $$\text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{CO}_2$$

Testing và validation

Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa lý đối chứng giữa nguồn thải nạp vào (Input material) và nước thải sau quá trình ủ kỵ khí (Bio-slurry) cho thấy hiệu suất xử lý vượt trội của hệ thống:

[Hiệu suất xử lý nước thải qua hầm Biogas]
BOD5 Giảm:   |=======================================> 92.36% (Từ 1447.5 mg/L -> 110.5 mg/L)
TSS Giảm:    |============================> 69.48% (Từ 5067.97 mg/L -> 1464.58 mg/L)
Nitơ Giảm:   |=======================> 67.24% (Từ 364.53 mg/L -> 115.70 mg/L)
Photpho Giảm:|========> 21.05% (Từ 33.20 mg/L -> 27.13 mg/L)

Thông số phân tích	Ký hiệu mẫu	Mẫu nạp vào ($mg/L$)	Mẫu sau phân giải ($mg/L$)	Hiệu suất xử lý (%)
Tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$)	Đợt 1 (T6-01 / T6-02)	3.677,37	1.339,45	63,57%
Tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$)	Đợt 2 (T6-03 / T6-04)	6.458,57	1.589,71	75,39%
Nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$)	Đợt 1 (T6-01 / T6-02)	1.458,00	114,00	92,18%
Nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$)	Đợt 2 (T6-03 / T6-04)	1.437,00	107,00	92,55%
Tổng Nitrogen ($TN$)	Đợt 1 (T6-01 / T6-02)	272,89	100,52	63,16%
Tổng Nitrogen ($TN$)	Đợt 2 (T6-03 / T6-04)	456,17	130,88	71,31%
Tổng Phosphorus ($TP$)	Đợt 1 (T6-01 / T6-02)	28,80	20,35	29,34%
Tổng Phosphorus ($TP$)	Đợt 2 (T6-03 / T6-04)	37,60	33,90	9,84%

Kết quả đạt được

• Tốc độ tăng trưởng: Số lượng hầm biogas tăng từ 73 công trình (2014) lên 88 công trình (2015) và đạt 100 công trình (2016) trên toàn xã. Xóm Nam Hương 1 dẫn đầu với 13 hầm.
• Cơ cấu dung tích: Quy mô 15 - 25 $m^3$ chiếm tỷ trọng chi phối 63% (phù hợp nông hộ nuôi 15 - 40 lợn); quy mô $<15\ m^3$ chiếm 22% (hộ nuôi nhỏ lẻ); quy mô $\ge 25\ m^3$ chiếm 15% (các trang trại gia đình, lớn nhất đạt $60\ m^3$).
• Vật liệu xây dựng: 86% sử dụng kết cấu gạch vòm cầu cố định nắp cầu kín; 14% sử dụng composite và túi ủ.
• Nguồn cơ chất cấp: 3.358 đầu vật nuôi, trong đó 2.902 con lợn (cung cấp cơ chất cho 93% hầm), 54 con trâu bò (3%) và 392 con khác (4%).
• Mục đích khai thác:
  • 100% hộ sử dụng cho đun nấu sinh hoạt hàng ngày.
  • 39% hộ tận dụng chạy đèn thắp sáng bằng khí sinh học.
  • 5% hộ ứng dụng làm nhiên liệu vận hành máy xay xát, máy bơm nước hoặc sưởi ấm gia súc non.
• Khai thác phụ phẩm bio-slurry: 93% hộ dùng làm phân bón hữu cơ trực tiếp; 30% dẫn bùn lỏng làm thức ăn ao cá; 5% sử dụng cho mục đích ủ phối trộn phân vi sinh.
• Chất lượng vận hành: 86 hộ đánh giá công trình hoạt động Tốt (khí cháy xanh đều, không mùi), 14 hộ đánh giá Trung bình (áp lực khí không ổn định do rò rỉ van nối hoặc thiếu cơ chất nạp).
• Đánh giá môi trường: 93% hộ dân xác nhận môi trường xung quanh giảm mùi hôi rõ rệt, ruồi muỗi giảm >80%, nguồn nước giếng khoan không bị ô nhiễm.

---

Đổi mới và đóng góp

1. Chuẩn hóa công nghệ theo điều kiện địa phương: Khảo sát chỉ ra mô hình hầm vòm cầu cố định xây gạch địa phương có độ bền vượt trội (>15 năm) so với túi ủ nilon mỏng (dễ bị chuột cắn rách hoặc thoái hóa quang hóa), đồng thời có giá thành xây dựng rẻ hơn 30% so với hầm composite đúc sẵn cùng thể tích.
2. Khai thác toàn diện chu trình sinh thái khép kín (V.A.C Biogas): Đưa ra giải pháp tận dụng $100%$ bùn ủ bio-slurry (chứa $93%$ nước, $7%$ chất khô, $4,5%$ chất hữu cơ và nồng độ ion $NH_4^+$ cao) làm nguồn phân bón lá sạch và cải tạo thổ nhưỡng nghèo dinh dưỡng tại Phú Bình.
3. Hiệu quả kinh tế lượng hóa: Mỗi công trình biogas giúp nông hộ tiết kiệm trung bình 140.000 VNĐ/tháng tiền củi đun và bình gas hóa lỏng LPG (tiết kiệm 1.680.000 VNĐ/năm). Với hầm dung tích $>25\ m^3$, mức tiết kiệm đạt trên 250.000 VNĐ/tháng.

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|              SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP QUẢN LÝ CHẤT THẢI NÔNG HỘ                           |
|                                                                                       |
|  Tiêu chí              Xả hở / Hồ lắng      Túi Polyethylene       Hầm vòm cầu cố định|
|  -----------------------------------------------------------------------------------  |
|  Tuổi thọ công trình   Không áp dụng        2 - 4 năm              15 - 20 năm        |
|  Khả năng thu hồi khí  0%                   70 - 80%               95 - 100%          |
|  Độ bền cơ học         Kém                  Rất thấp (dễ thủng)    Rất cao            |
|  Giảm phát thải CH4    0%                   Trung bình             Rất cao (>90%)     |
|  Chi phí đầu tư (m3)   0 VNĐ                300.000 VNĐ/m3         700.000 VNĐ/m3     |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tái sử dụng Bio-slurry trong nuôi trồng thủy sản và trồng trọt

• Kiểm soát oxy hòa tan trong ao cá: Việc sử dụng phân tươi trực tiếp làm ao cá bị tiêu hao oxy để phân hủy hiếu khí, khiến cá nổi đầu bình quân $>20$ lần/chu kỳ nuôi và phải bơm sục khí 6,5 giờ. Ngược lại, ao sử dụng bùn lỏng bio-slurry đã trải qua phân giải kỵ khí giúp nồng độ oxy hòa tan ($DO$) cao hơn 43,5%, hiện tượng cá nổi đầu giảm xuống chỉ còn 16 lần (thời gian sục khí giảm còn 4 giờ).
• Hạn chế sâu bệnh thực vật: Bùn thải sau phân hủy kỵ khí triệt tiêu $96 - 98%$ trứng giun sán và nấm bệnh gây hại rễ. Nước thải sau ủ pha loãng với nước theo tỷ lệ $1:3$ phun lên lá cây có khả năng ức chế nhện đỏ, sâu cuốn lá, rầy xanh từ $30 - 100%$, giảm nhu cầu sử dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học.
• Cải tạo lý tính của đất: Bổ sung lượng mùn hữu cơ hoạt tính cho vùng đất bạc màu của xã Thanh Ninh (vốn có hàm lượng mùn tự nhiên thấp $<0,8%$), làm tăng khả năng giữ ẩm và xốp đất.

Phân tích tài chính và thời gian hoàn vốn (ROI)

Chi phí đầu tư xây dựng hầm biogas tại thời điểm nghiên cứu:

• Quy mô $10 - 15\ m^3$: 13.000.000 VNĐ.
• Quy mô $15 - 25\ m^3$: 15.000.000 VNĐ.
• Quy mô $25 - 30\ m^3$: 18.000.000 VNĐ.

[Phân tích hoàn vốn đầu tư hầm 20 m3 - Chi phí 15 triệu VNĐ]
+------------------------------------------------------------------------+
| 1. Tiết kiệm gas LPG & điện:          1.680.000 VNĐ/năm                |
| 2. Tiết kiệm phân bón NPK (Bio-slurry): 1.200.000 VNĐ/năm               |
| 3. Tiết kiệm thức ăn ao cá:             800.000 VNĐ/năm                |
| ---------------------------------------------------------------------- |
| TỔNG GIÁ TRỊ THU HỒI HÀNG NĂM:          3.680.000 VNĐ/năm               |
| THỜI GIAN HOÀN VỐN ĐẦU TƯ (Payback):    ~4,07 NĂM                      |
+------------------------------------------------------------------------+

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật tồn đọng

1. Hiện tượng quá tải nạp cơ chất: Một số hộ tăng đàn lợn đột biến nhưng không mở rộng dung tích hầm khiến thời gian lưu thủy lực ($HRT$) bị rút ngắn, dẫn đến nước thải đầu ra còn nồng độ hữu cơ cao và mùi hôi chưa được khử triệt để.
2. Thiết bị phụ trợ khí sinh học còn đắt đỏ: Các thiết bị chuyên dụng như máy phát điện chạy biogas, đèn sưởi hồng ngoại cho lợn con có giá thành cao và khó tìm linh kiện thay thế tại địa phương, khiến $61%$ hộ dân chưa khai thác hết lượng khí gas dư thừa vào mùa hè.
3. Thất thoát áp lực: Hiện tượng đóng cặn bùn đáy và váng nổi bề mặt sau $3 - 5$ năm vận hành chưa có quy trình xả cặn tự động thuận tiện.

Hướng phát triển và mở rộng

• Nghiên cứu tích hợp module lọc sinh học ($Bio-filter$) tách khí $H_2S$ bằng quặng than hoạt tính ngâm tẩm oxit sắt ($Fe_2O_3$) để kéo dài tuổi thọ bếp và van kim loại.
• Phát triển hệ thống máy phát điện biogas đồng phát nhiệt - điện (CHP) quy mô cụm trang trại (liên kết 5 - 10 hộ gia đình).
• Đẩy mạnh chính sách hỗ trợ vốn vay ưu đãi từ Ngân hàng Chính sách Xã hội và các dự án phát triển khí sinh học quốc gia ($QSEAP, LCASP$).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Học viên ngành Môi trường/Nông nghiệp: Cung cấp tài liệu thực địa hoàn chỉnh, bộ số liệu thực nghiệm đo đạc $BOD_5, TSS, TN, TP$ và mô hình kinh tế tuần hoàn nông nghiệp.
• Kỹ sư & Đơn vị thi công công trình năng lượng nông thôn: Tham khảo bản vẽ thiết kế, tỷ lệ phối trộn cơ chất ($1:1$ đến $1:2$ giữa phân và nước) và kích thước hầm vòm cầu chuẩn KT1/KT2.
• Hộ gia đình & Trang trại chăn nuôi: Tối ưu hóa chi phí năng lượng sinh hoạt, nâng cao năng suất cây trồng nhờ tận dụng phân bón sinh học bio-slurry, giải quyết triệt để khiếu nại về mùi hôi từ cộng đồng lân cận.
• Cơ quan quản lý môi trường cấp Huyện/Xã: Định lượng hóa mức giảm phát thải nhà kính làm căn cứ xây dựng tiêu chí Môi trường trong Chương trình Mục tiêu Quốc gia Xây dựng Nông thôn mới.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để xây dựng hầm biogas vòm cầu cố định hộ gia đình là gì?

Hộ gia đình cần duy trì đàn chăn nuôi thường xuyên tối thiểu 5 con lợn thịt (hoặc 2 con trâu/bò) để đảm bảo lượng phân nạp tối thiểu $7 - 10\text{ kg/ngày}$. Vị trí đặt hầm cần cách giếng nước sinh hoạt tối thiểu $10\text{ m}$, có độ dốc tự nhiên để nạp phân và thoát bùn bio-slurry thuận tiện bằng trọng lực.

2. Dung tích hầm biogas được tính toán như thế nào để tránh lãng phí chi phí đầu tư?

Dung tích hầm ($V$) được xác định dựa trên tổng khối lượng phân thải hàng ngày ($Q$) và thời gian lưu thủy lực ($HRT$, khuyến nghị $30 - 45\text{ ngày}$ ở khí hậu miền Bắc): $$V = (Q_{\text{phân}} + Q_{\text{nước}}) \times HRT$$ Thông thường, hộ nuôi 10 - 20 lợn nên chọn dung tích $10 - 15\ m^3$; hộ nuôi 20 - 40 lợn chọn dung tích $15 - 25\ m^3$.

3. Có thể kết nối trực tiếp nhà vệ sinh tự hoại vào hầm biogas hay không?

Hoàn toàn có thể và được khuyến khích. Việc đấu nối nước thải từ nhà vệ sinh vào hầm biogas giúp phân hủy triệt để chất thải bài tiết của con người qua chu trình lên men kỵ khí dài ngày, tiêu diệt toàn bộ vi khuẩn đường ruột nguy hại mà không làm ảnh hưởng đến quá trình tạo khí methane.

4. Cần xử lý như thế nào khi bếp gas có ngọn lửa đỏ hoặc áp lực khí sinh học suy giảm?

Ngọn lửa đỏ thường do hàm lượng hơi nước trong khí sinh học cao hoặc tỷ lệ hòa trộn oxy tại họng đốt chưa chuẩn. Cần lắp đặt cốc bẫy ngưng tụ nước tại điểm võng của đường ống dẫn khí và vệ sinh béc đốt. Nếu áp lực khí giảm, cần kiểm tra hiện tượng rò rỉ tại các khớp nối van, nạo vét lớp váng cặn bề mặt hầm ủ hoặc bổ sung cơ chất nạp.

5. Bùn thải lỏng bio-slurry có cần xử lý thêm trước khi bón trực tiếp cho cây trồng không?

Bio-slurry thoát ra từ bể điều áp có thể dùng tưới trực tiếp cho các loại cây công nghiệp hoặc cây ăn quả lâu năm. Đối với rau ăn lá ngắn ngày, nên pha loãng với nước sạch theo tỷ lệ $1:3$ hoặc dẫn qua hố ủ thoáng khí $2 - 3\text{ ngày}$ để oxy hóa hết lượng khí hòa tan trước khi tưới nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ nitơ dạng $NH_4^+$.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Dương Thị Hồng đã chứng minh một cách khoa học và thực tiễn rằng công nghệ hầm khí sinh học Biogas là giải pháp then chốt để xử lý ô nhiễm chất thải chăn nuôi tại xã Thanh Ninh, huyện Phú Bình. Với hiệu suất xử lý $BOD_5$ đạt trên $92%$, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời mang lại giá trị kinh tế trực tiếp thông qua tiết kiệm năng lượng và khai thác phụ phẩm bio-slurry, mô hình hầm vòm cầu cố định $15 - 25\ m^3$ xứng đáng được chuẩn hóa và nhân rộng trên diện rộng tại các vùng nông thôn bán sơn địa trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THAI NGUYEN UNIVERSITY UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND FORESTRY DUONG THI HONG TOPIC TITLE: ASSESSMENT ACTUALITY OF USING HOUSEHOLD-SCALE BIOGAS CELLAR IN THANH NINH COMMUNE, PHU BINH TRISTRICT, THAI NGUYEN PROVINCE BACHELOR THESIS Study Mode : Full-time Major : Environmental Science and Management Faculty : International Training and Development Center Batch : 2012- 2016 Thai Nguyen, June 2016 1 n Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry Degree Program Bachelor of Environmental Science and Management Student Name Duong Thi Hong Student ID DTN1153110190 Thesis Title Assessment actuality of using household-scale biogas cellar in Thanh Ninh commune, Thai Nguyen province Supervisor Dr: Nguyen Huu Tho Abstract: One major challenge faced by Thanh Ninh commune is dealing with the enormous amount of livestock waste and agricultural waste generated. Biogas technology is considered as effective means of using waste for energy. This study is conducted to study the advantages and disadvantages in using biogas technology in Thanh Ninh Commune with result of the study, some solutions will be suggested in this research to suitable to its practical conditions, which is suitable to its practical conditions. The main results are concerned with the number of households using biogas cellars in Thanh ninh commune, the input source for each household.

The index components were analyzed in the product's input and output. This research also presents some policies to use bio-slurry utilization with the better way to help people utilized products from animal manure and agricultural waste. This might beyond the scope of the study to change peoples’ knowledge, awareness and then treatment in a reasonable manner to animal waste and agriculture waste on daily life. Keywords Assessment, biogas cellar, Thanh Ninh commune.

Number of Pages 45 Date of Submission September 30, 2016 2 n ACKNOWLEDGMENT The author wishes to extend her grateful appreciation to the following people for their valuable contribution in order to make this research possible. First and foremost, to her family especially to her parents for their unconditional love and support in order to fulfill the author’s dreams. To her thesis adviser, Dr. Nguyen Huu Tho for sharing and teaching his study which provided the author a wider knowledge for doing research.

To households in Thanh Ninh commune and People’s Committee of Thanh Ninh commune for their enthusiasm and for providing her an excellent atmosphere for doing the research. Lastly, the author offers her regards and blessings to all of those who supported her in any respect during the completion of the thesis. Thai Nguyen, June 2016. Student Duong Thi Hong 3 n TABLE OF CONTENTS LIST OF FIGURES………………………………………………….

LIST OF TABLES…………………………………………………………………… LIST OF ABBREVIATIONS………….Objectives of the Study………………………………………………………. Specific Objectives of the Study……………………………………………. Scope and Limitation of the Study…………………………………………. Significance of the Study…………………………………………………………4 PART II.

Overview of Biogas………………………………………………………………5 2. Biogas For Sustainable Development……………………………………. Biogas Production Process…………………………………………. Benefits of Biogas Technology………………………………….

Process Development of Biogas Program in Vietnam and The World…. Process development of biogas program in The World ………………. Process development of biogas program in Vietnam……………………. CONTENT AND RESEARCH METHODS………………………….

The natural conditions, the economic and society in Thanh Ninh commune - Phu Binh-Thai Nguyen……………………………………………………………………. The natural conditions…………………………………. Social and economic conditions………………………………………………. General assessment of natural conditions, economic, social…………….

The current use of biogas technology in Thanh Ninh commune, period 2014 - 2016…………………………………………………………………………………. The number of biogas digesters follow years and residential ( 2014 – 2016)…………………………………………………………………………………………. Scales of biogas digesters in Thanh Ninh commmune…………………. The material resources provided for the digesters…………………….

Economic purpose in using of biogas technology………………………. Assessment the quality of digesters…………………………………………. Assessment the effectiveness of the economy and the environment in using biogas digester…………………………………………………………. Assessment the effectiveness of the economy in using biogas digester……34 4.

Effectiveness of the environment in using biogas digester…………………. DISCUSSION AND CONCLUSION……………………………….40 LIST OF REFERENCES……………………………………………………….43 6 n LIST OF FIGURES Page Figure 4.1 The annual number of biogas digesters build in Thanh Ninh commune 26 Figure 4.2 Scales of biogas digesters in Thanh Ninh period 2014 27 2016.3 The form of using biogas in Thanh Ninh commune 30 Figure 4.4 The current use of bio-slurry in Thanh Ninh commune in 2016 31 7 n LIST OF TABLES Page Table 2.1 Amounts of human and animal wastes discharged 7 per day Table 4.1 The number of biogas digesters follow years and 25 residential ( 2014 – 2016) Table 4.2 Scales of biogas digesters in Thanh Ninh period 26 2014 - 2016.3 The material resources provided for the digesters in 28 Thanh Ninh commune in 2016.4 Using of biogas in Thanh Ninh communein 2016 28 Table 4.5 The current use of bio-slurry in Thanh Ninh 30 commune in 2016.6 Result of waste water content in input materials and 31 bioslurry in biogas digesters in Thanh Ninh commune Table 4.7 The local people assess the quality of biogas 33 digesters in Thanh Ninh commune in 2016 Table 4. The economic efficiency of the biogas digesters in 35 Thanh Ninh in 2016. The opinion of household on effectiveness of the 36 environment in using biogas digester 8 n LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviation Meaning BSP Biogas Sector Partnership DAFE Department of Agriculture and Forestry Extension KVIC Khadi and Villages Industries Commission MARD Ministry of Agriculture and Rural Development RDAC Rural Development Assistance Centre VACVINA Vietnamese Association of Horticulturist 9 n PART I.

Research Rationale Vietnam is a country with a predominance of agriculture (more than 70% of the population is agriculture), focused mainly on two of cultivation and animal husbandry. With the huge volume of livestock waste has not been treated waste resulting organic fertilizer, but also causing environmental pollution, especially in rural areas. Resolving the rural environment are urgent issues. Using of biogas as a fuel allows us to solve problems and survive in society: environmental pollution, energy crisis, human health, economic development.

During Social-economic development, Urbanization - Industrialization had going on very strongly in Viet Nam in general and Thai Nguyen in particular, many pressing environmental problems that arose in connection activities relate to people's livelihood, agricultural, industrial and the impact on sustainable development including livestock waste is one of the important issues. The population of Thanh ninh commune is 1563 households (2015), inthere 1176 households are livestock but only 100 households used biogas technology (Hang, P. In Thanh ninh commune today, in general the treatment of waste has occurred in the traditional way: the entire waste discharge to drains, ponds or in part is used as fertilizer in agriculture. In doing so, it will cause some of the corollary: 1 n • Leading to soil pollution, water pollution and air pollution in the discharge area.

Due to require problem solving pollution and saving energy, so waste management in Thanh ninhcommune should be operated under two requirements: • Firstly, building biogas cellars on household scale. • Secondary, using effective biogas technology in each household. Therefore, the study focused on analyzing the benefits of using biogas technology and to give some recommendation to repair the disadvantage in using biogas cellar. Therefor people can have the best effectively in using biogas cellar without environment pollution The main reason why this research is focused on biogas cellar on household scale in Thanh ninh commune is simply because biogas technology is a long-term program and have the participation of the community, changing perceptions and knowledge of people.

Therefore, the author aims to change awareness for the people who should able to built and use more useful biogas cellars in thanh ninh commune, Thai nguyen province. Objectives of the Study 1. General Objective The general objecitve of the study is to put forward practical measures that accordance with locality in order to improve the efficiency of using biogas cellars in Thanh Ninh commune. Specific Objectives of the Study The specific objectives of the study are: - The benefits of Biogas.

- Analyzing the advantages and disadvantage in using biogas technology. - Giving some recommendations to suitable to local's practical conditions to improve effective use of biogas 1. Research Question The following are the research questions: 1. What is the situation of using biogas cellar in Thanh Ninh commune? 2.

What is the economic efficiency of using biogas cellar and its impact on the environment and ecology? 3. What are advantages and disadvantages in using and management of biogas cellar? 4. What are the solutions to increase efficiency of using biogas cellar in Thanh Ninh commune? 1. Scope and Limitation of the Study The study implemented in Thanh Ninh commune, Thai Nguyen Province.

The subject of interest is the households using biogas cellar in Thanh Ninh commune for interview and data collection. 3 n There were some limitations throughout the study. From the above mentioned, the first limitation was the collecting data and the second constraint was the time limitation since the researcher had a short time for this study. Significance of the Study The author believes that this study will contribute to the following: Researchers and Environmental Experts: results of this study may open doors of encouragement in pursuing related researches.

Education: the results of this study may be applied for other areas. Households: the findings of this study will give an idea to these households on protecting the environment and not waste the resources available on the house. Author: the author herself will benefit by acquiring knowledge during the completion of the research. Overview of Biogas 2.

Definitions - Anaerobic digestion is a collection of processes by which microorganisms break down biodegradable material in the absence of oxygen. - Biogas is gas produced in the process of biodegradation of organic matter under absence of oxygen and created renewable energy. Biogas For Sustainable Development Biogas technology production contributes greatly to reduce emissions and it is a clean fuel source and basis for the currently and the future. The greenhouse gas emissions is a large issue in the world.

In which methane is the main cause leading to greenhouse gases and it warms the world 21 times faster than CO2. Therefore, if the organic wastes are decomposed in biogas projects, methane will be collected as a fuel, it plays an very important role on protection environment. When burning 1 tonne of methane creates 2.75 tons of CO2. Thus greenhouse gases will reduce to: 21 / 2.

Biogas Production Process 2. Materials for Biogas Production Nearly all the organic substances in nature can be used as materials for biogas production. The materials can be classified into two kinds: material with animal root and material with plant root. 5 n *Animal material Animal material includes animal waste (dung and urine) of cattle, poultry and human excrement.

The amount of waste matters per head depends on body weight and nutritional regimen.1 shows the average amounts of excrements discharged by human beings and animals per day Table 2.1 Amounts of human and animal wastes discharged per day Amount of waste by percent of body weight Amount of fresh Kinds Dung Urine dung (kg/day) Cow 5 4–5 15 – 20 Buffalo 5 4–5 18 - 25 Pig 2 3 1.34 Source: (Report from Household scale biogas technology in Hanoi, 2011) Owing to the work of the human or animal digestive system, the excremental materials decompose easily and produce biogas rapidly. However, their fermentation periods last for a rather short time (about two to three months) and the yield of biogas by a kilogram of waste is not much. Cattle dung, pig excrement decompose more rapidly than that of poultry and human beings’, yet the yield of biogas produced from poultry and human excrement is much more. 6 n *Plant Material The plant materials refer to the leaf and stalk of graminaceous plants like agricultural residue (chaff, straw, leaf and stalk of maize, potato, bean etc.), organic waste (vegetable, fruit and foodstuff refused etc.) and wild hydrophytes (water hyacynths, alligater weed, water lettuces…).

Wood and old plants decompose hardly thus they are not as fermentation materials (Hanoi department, 2011). Vegetable usually has a hard cover difficult to be digested.