Nghiên cứu chỉ số sử dụng nước và chất lượng nước trong phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu chỉ số sử dụng nước và chất lượng nước trong quá trình phát triển năng lượng sinh, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Quang Chung
• Người hướng dẫn: Pgs. Nguyễn Kiều Băng Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Nghiên cứu chỉ số sử dụng nước và chất lượng nước trong quá trình phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hiện trạng khai thác và sử dụng năng lượng sinh học ở Việt Nam và Thế giới
• 1.2. Tổng quan về hiện trạng sản xuất và chế biến năng lượng sinh học từ cây sắn và biogas ở Việt Nam
• 1.3. Hiện trạng sản xuất và chế biến năng lượng sinh học từ cây sắn ở Việt Nam
• 1.4. Hiện trạng sản xuất và chế biến năng lượng sinh học từ biogas ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
• 2.4. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp. Phương pháp phân tích mẫu nước trong phòng thí nghiệm
• 2.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.6. Tổng quan về chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước (Chỉ số 1)
• 2.7. Miêu tả chỉ số và đơn vị đo đường
• 2.8. Cơ sở khoa học
• 2.9. Tổng quan về chỉ số đánh giá chất lượng nước (Chỉ số 2)
• 2.10. Miêu tả chỉ số và đơn vị đo lường
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước
• 3.2. Kết quả đánh giá chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước cho cây sắn
• 3.3. Kết quả đánh giá chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước cho biogas
• 3.4. Chỉ số chất lượng nước
• 3.5. Kết quả phân tích chỉ số chất lượng nước cho cây sắn
• 3.6. Kết quả phân tích chỉ số chất lượng nước cho biogas
• 3.7. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giảm ô nhiễm nguồn nước trong sản xuất, chế biến nguyên liệu sinh học
• 3.8. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giảm ô nhiễm trong trồng trọt và chế biến sắn nguyên liệu phục vụ nhu cầu phát triển năng lượng sinh học
• 3.9. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giảm ô nhiễm trong sản xuất biogas phục vụ nhu cầu phát triển năng lượng sinh học
• 3.10. Chỉ số “sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước”
• 3.11. Chỉ số “chất lượng nước”
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chỉ số sử dụng và chất lượng nước trong năng lượng sinh học

Nước là tài nguyên thiết yếu trong quá trình phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam. Việc nghiên cứu chỉ số sử dụng nước và chất lượng nước không chỉ giúp đánh giá hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo tính bền vững cho ngành năng lượng sinh học. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hiện trạng và tiềm năng của năng lượng sinh học tại Việt Nam, đồng thời nhấn mạnh vai trò của nước trong quá trình này.

1.1. Tình hình hiện tại về năng lượng sinh học tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng sinh học từ các sản phẩm nông nghiệp như sắn, ngô và các phế thải nông nghiệp. Năng lượng sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn thu nhập bền vững cho nông dân.

1.2. Vai trò của nước trong sản xuất năng lượng sinh học

Nước đóng vai trò quan trọng trong việc tưới tiêu cho cây trồng, chế biến nguyên liệu và chăn nuôi. Việc quản lý hiệu quả tài nguyên nước sẽ góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm năng lượng sinh học.

II. Thách thức trong việc sử dụng nước và chất lượng nước trong năng lượng sinh học

Việc phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức liên quan đến việc sử dụng nước và chất lượng nước. Các vấn đề như ô nhiễm nguồn nước, sự cạn kiệt tài nguyên nước và biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng phát triển bền vững của ngành này.

2.1. Ô nhiễm nguồn nước từ sản xuất năng lượng sinh học

Quá trình sản xuất năng lượng sinh học có thể tạo ra nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm, ảnh hưởng đến chất lượng nước. Cần có các biện pháp xử lý nước thải hiệu quả để giảm thiểu tác động này.

2.2. Biến đổi khí hậu và tác động đến tài nguyên nước

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi lượng mưa và nhiệt độ, ảnh hưởng đến nguồn nước sẵn có cho sản xuất năng lượng sinh học. Việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp thích ứng là cần thiết để đảm bảo nguồn nước cho ngành này.

III. Phương pháp nghiên cứu chỉ số sử dụng nước trong năng lượng sinh học

Để đánh giá hiệu quả sử dụng nước trong sản xuất năng lượng sinh học, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học. Các chỉ số sử dụng nước sẽ được phân tích dựa trên các dữ liệu thu thập từ thực địa và phòng thí nghiệm.

3.1. Phương pháp thu thập dữ liệu

Dữ liệu sẽ được thu thập từ các trang trại sản xuất năng lượng sinh học và các nhà máy chế biến. Việc này bao gồm cả số liệu về lượng nước sử dụng và chất lượng nước.

3.2. Phân tích chỉ số sử dụng nước

Các chỉ số sử dụng nước sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả và tính bền vững trong sản xuất năng lượng sinh học. Điều này sẽ giúp xác định các biện pháp cải thiện trong tương lai.

IV. Kết quả nghiên cứu chỉ số chất lượng nước trong năng lượng sinh học

Kết quả nghiên cứu chỉ số chất lượng nước sẽ cung cấp cái nhìn rõ ràng về tác động của sản xuất năng lượng sinh học đến tài nguyên nước. Việc này sẽ giúp đưa ra các giải pháp cải thiện chất lượng nước trong quá trình sản xuất.

4.1. Đánh giá chất lượng nước từ sản xuất năng lượng sinh học

Các chỉ số chất lượng nước sẽ được phân tích để xác định mức độ ô nhiễm và ảnh hưởng đến môi trường. Kết quả này sẽ là cơ sở cho các biện pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

4.2. Giải pháp nâng cao chất lượng nước

Cần áp dụng các công nghệ xử lý nước thải và quản lý tài nguyên nước hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước. Các giải pháp này sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của năng lượng sinh học.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của năng lượng sinh học tại Việt Nam

Năng lượng sinh học có tiềm năng lớn tại Việt Nam, nhưng để phát triển bền vững, cần chú trọng đến việc quản lý tài nguyên nước và chất lượng nước. Các nghiên cứu và giải pháp cần được triển khai để đảm bảo sự phát triển của ngành này trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong phát triển năng lượng sinh học

Nghiên cứu về chỉ số sử dụng nước và chất lượng nước là rất cần thiết để đánh giá và cải thiện quy trình sản xuất năng lượng sinh học. Điều này sẽ giúp đảm bảo tính bền vững cho ngành năng lượng.

5.2. Triển vọng phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam

Với tiềm năng lớn và sự hỗ trợ từ chính phủ, năng lượng sinh học có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững của Việt Nam. Cần có các chính sách và biện pháp hỗ trợ để thúc đẩy ngành này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự chuyển dịch từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sinh học là chiến lược tất yếu nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu phát thải khí nhà kính tại Việt Nam. Theo các báo cáo địa chất, trữ lượng than đá của nước ta ước tính đạt khoảng 6,14 tỷ tấn và dầu khí đạt 3,8 đến 4,2 tỷ tấn, tuy nhiên tốc độ khai thác nhanh chóng đang đặt ra thách thức cạn kiệt nguồn cung trong tương lai gần. Nhằm thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học theo Thông báo số 255/TB-VPCP của Văn phòng Chính phủ, Việt Nam đã chính thức triển khai sử dụng đại trà xăng sinh học E5 RON 92 từ ngày 01 tháng 01 năm 2018, hướng tới mục tiêu đáp ứng 5% tổng nhu cầu xăng dầu trên phạm vi toàn quốc.

Quá trình canh tác cây nguyên liệu và vận hành các nhà máy chế biến sinh học tạo ra áp lực trực tiếp lên tài nguyên nước. Tổng nguồn nước có thể tái tạo hàng năm (TARWR) của Việt Nam đạt 884,1 km3/năm, trong đó ngành nông nghiệp tiêu thụ tới 77,75 km3/năm (chiếm 94,8% tổng lượng nước khai thác toàn quốc). Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán: Đánh giá định lượng chỉ số sử dụng nước, hiệu quả sử dụng nước và tác động đến chất lượng nguồn nước của hai chuỗi giá trị năng lượng sinh học chủ lực là cồn sinh học (bio-ethanol) từ cây sắn và khí sinh học (biogas).

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ lãnh thổ Việt Nam đối với chỉ số sử dụng nước và tập trung thực địa chuyên sâu tại tỉnh Phú Thọ đối với chỉ số chất lượng nước. Ý nghĩa cốt lõi của công trình là thiết lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về suất tiêu hao nước (0,155 m3/MJ đối với ethanol từ sắn và 0,00876 m3/MJ đối với biogas), tạo căn cứ khoa học vững chắc phục vụ công tác quy hoạch vùng nguyên liệu gắn liền với bảo vệ tài nguyên nước bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết và khung chỉ số quốc tế:

Thứ nhất, Lý thuyết Dấu chân nước (Water Footprint) được khởi xướng bởi Arjen Hoekstra (năm 2002). Lý thuyết này phân tách lượng nước tiêu thụ thành ba hợp phần: Nước xanh lá (Green water - lượng nước mưa cây trồng hấp thụ và thoát hơi), Nước xanh lam (Blue water - lượng nước mặt và nước ngầm lấy ra phục vụ tưới tiêu và chế biến), và Nước xám (Gray water - lượng nước cần thiết để đồng hóa các chất gây ô nhiễm đạt tiêu chuẩn môi trường).

Thứ hai, Khung chỉ số Đánh giá Năng lượng Sinh học Bền vững của Tổ chức Đối tác Năng lượng Sinh học Toàn cầu (GBEP) phối hợp cùng Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO). Khung đánh giá tập trung vào hai chỉ số môi trường trọng yếu:

• Chỉ số 1: Lượng nước lấy ra từ các lưu vực sông phục vụ sản xuất và chế biến năng lượng sinh học tính theo tỷ lệ phần trăm của tổng nguồn nước tái tạo (TARWR) và suất tiêu hao nước trên một đơn vị sản lượng năng lượng (m3/MJ hoặc m3/kWh).
• Chỉ số 2: Tải lượng và nồng độ các chất gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm (Nitơ, Phốt pho, BOD, COD, Coliforms) phát sinh từ quá trình bón phân cho cây nguyên liệu và xả thải sau chế biến.

Các khái niệm then chốt bao gồm: Tổng nguồn nước có thể tái tạo hàng năm (TARWR = 884,1 km3/năm), Tổng lượng nước lấy ra sử dụng hàng năm (TAWW = 82,03 km3/năm), và Lượng thoát bốc hơi tiềm năng của thảm thực vật (ET).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp điều tra xã hội học, khảo sát thực địa và phân tích thực nghiệm trong phòng thí nghiệm:

• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu:

  • Mẫu nước mặt vùng trồng sắn: Thu thập 15 mẫu nước mặt tại các kênh mương tưới tiêu, ao hồ liền kề các đồi trồng sắn chuyên canh thuộc huyện Tam Nông và Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ Thông tư số 65/2015/TT-BTNMT, bảo đảm tính đại diện cho dòng chảy tràn nông nghiệp rỉ ra môi trường.
  • Mẫu nước thải khí sinh học: Thu thập 30 mẫu nước thải tại vị trí xả cuối cùng (bể điều áp) của các công trình biogas đại diện cho 3 quy mô (hộ gia đình, trang trại chăn nuôi tập trung và nhà máy chế biến tinh bột sắn) tại xã Quang Húc và xã Xuân Lộc, tỉnh Phú Thọ theo Thông tư số 47/2011/TT-BTNMT.
  • Phiếu điều tra xã hội học: Thực hiện phỏng vấn trực tiếp bằng 4 bộ phiếu khảo sát cấu trúc gồm 36 hộ nông dân trồng sắn, các hộ chăn nuôi có hầm biogas, cán bộ quản lý môi trường cấp cơ sở và kỹ sư vận hành tại nhà máy chế biến cồn.

• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn:

  • Chỉ tiêu nước mặt (pH, COD, BOD5, Nitrate, Phosphate) và nước thải biogas (TSS, pH, BOD5, COD, Tổng Nitơ - Nts, Tổng Phốt pho - Pts, Coliforms) được phân tích theo các Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN 6491-1999 cho COD, TCVN 6001-1995 cho BOD5, phương pháp Kjeldahl cho Nts, đo quang phổ cho Nitrate và Phosphate, TCVN 6187-2:1996 cho Coliforms).
  • Lý do lựa chọn: Các phương pháp phân tích chuẩn độ và đo quang này đảm bảo độ chính xác tuyệt đối, tính đồng bộ với quy chuẩn quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT (về chất lượng nước mặt) và QCVN 40:2011/BTNMT (về nước thải công nghiệp), giúp kết quả có giá trị pháp lý và thực tiễn cao.
  • Dữ liệu khí tượng và thoát bốc hơi (ET) trung bình của sắn vùng nhiệt đới đạt 0,30 - 0,33 mm/giờ được tích hợp cùng mô hình cân bằng nước FAO AQUASTAT để xử lý dữ liệu quy mô toàn quốc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất: Giai đoạn trồng trọt nguyên liệu chiếm tỷ trọng áp đảo tuyệt đối trong tổng lượng nước tiêu thụ của chuỗi sản xuất ethanol sinh học. Năm 2016, Việt Nam sản xuất 19 triệu lít bio-ethanol từ 6.000 ha sắn nguyên liệu (năng suất 19 tấn/ha). Tổng lượng nước tiêu hao là 59,2335 triệu m3. Trong đó, lượng nước bốc thoát hơi qua lá trong chu kỳ sinh trưởng 330 ngày của cây sắn lên tới 58,806 triệu m3 (tương đương 9.801 m3/ha/năm), chiếm tới 99,28% tổng lượng nước toàn chuỗi. Giai đoạn chế biến tại nhà máy chỉ tiêu tốn khoảng 427.500 m3 nước (định mức 22,5 lít nước/lít ethanol), chỉ chiếm 0,72%. Suất tiêu hao nước tổng hợp đạt 0,155 m3 cho mỗi MJ năng lượng ethanol, tương đương 0,0067% tổng lượng nước tái tạo (TARWR) của Việt Nam.

Phát hiện thứ hai: Công nghệ khí sinh học (biogas) thể hiện hiệu quả sử dụng tài nguyên nước vượt trội và đóng vai trò kép trong bảo vệ môi trường. Hệ thống xử lý kỵ khí từ 500.000 hầm biogas quy mô hộ gia đình, 1.300 trang trại chăn nuôi quy mô lớn và 75 nhà máy chế biến sắn/cồn tiêu thụ tổng cộng 58,46 triệu m3 nước/năm (chủ yếu là nước rửa chuồng và nước thải hữu cơ). Tổng năng lượng sinh ra đạt 6.667,3 tỷ kJ (tương đương 1.851,3 GWh nhiệt và điện). Suất tiêu hao nước của biogas chỉ ở mức 0,00876 m3/MJ, thấp hơn gần 18 lần so với ethanol từ sắn và chỉ chiếm 0,0066% TARWR quốc gia.

Phát hiện thứ ba: Ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng nghiêm trọng tại nguồn nước mặt xung quanh các vùng chuyên canh sắn. Tại các điểm quan trắc ở tỉnh Phú Thọ, nồng độ các chất ô nhiễm trong mương thủy lợi và hồ chứa gần ruộng sắn đều vượt xa ngưỡng cho phép của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Điển hình tại xã Thanh Uyên (huyện Tam Nông), COD đạt 241,3 ± 16,60 mg/L (vượt 4,8 lần giới hạn 50 mg/L), BOD5 đạt 149,0 ± 6,40 mg/L (vượt 5,9 lần giới hạn 25 mg/L), Nitrate (NO3-) đạt 88,1 ± 2,30 mg/L (vượt 5,8 lần quy chuẩn 15 mg/L), và Phosphate (PO4 3-) đạt 1,58 ± 0,22 mg/L (vượt 3,1 lần quy chuẩn 0,5 mg/L).

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch về hiệu quả sử dụng nước giữa Việt Nam và thế giới phản ánh rõ thực trạng kỹ thuật canh tác. Suất tiêu hao nước cho ethanol sắn tại Việt Nam (0,155 m3/MJ) cao hơn khoảng 24% so với mức trung bình thế giới (0,125 m3/MJ tại 5 quốc gia nghiên cứu gồm Ấn Độ, Brazil, Indonesia, Nicaragua và Guatemala). Nguyên nhân cốt lõi là năng suất sắn nước ta thời điểm nghiên cứu chỉ đạt 18,55 tấn/ha, thấp hơn đáng kể so với Lào (25,17 tấn/ha) và Thái Lan (21,82 tấn/ha), trong khi tập quán canh tác nhờ nước trời trên đất dốc làm tăng mức độ bốc thoát hơi nước tự nhiên.

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt khu vực phụ cận bắt nguồn từ tập quán lạm dụng phân bón hóa học. Khảo sát 36 hộ dân tại Phú Thọ cho thấy mức bón phân bình quân lên tới 14,1 ± 1,4 tấn/ha/vụ. Lượng đạm nguyên chất (N) bón thực tế đạt 142,9 kg/ha và lân (P2O5) đạt 81,5 kg/ha, cao hơn nhiều so với khuyến cáo kỹ thuật của Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam (80 - 120 kg N/ha). Do sắn trồng chủ yếu trên sườn dốc không có đai rừng chắn hoặc gờ ngăn xói mòn, các đợt mưa rào lớn đã rửa trôi một lượng khổng lồ dưỡng chất N, P trực tiếp vào nguồn tiếp nhận, kích thích hiện tượng phú dưỡng hóa và suy giảm oxy hòa tan.

Đối với dòng thải biogas, dù quá trình lên men kỵ khí giúp phân giải phần lớn hợp chất hữu cơ, nước thải sau bể điều áp vẫn tiềm ẩn hàm lượng vi sinh Coliforms và tải lượng N, P hòa tan cao. Nếu không có các công trình xử lý bậc hai (như hồ sinh học hiếu khí hay đất ngập nước nhân tạo), nguồn thải này sẽ gây suy thoái hệ sinh thái thủy vực xung quanh các cụm chăn nuôi.

Để trực quan hóa các dữ liệu này trong báo cáo chuyên sâu, các kết quả nghiên cứu nên được thể hiện thông qua biểu đồ cột ghép so sánh suất tiêu hao nước (m3/MJ) giữa các nguồn sinh khối và biểu đồ mạng nhện (radar chart) đối chiếu các thông số ô nhiễm COD, BOD5, NO3- tại từng xã khảo sát với đường giới hạn chuẩn của QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm cân bằng giữa mục tiêu an ninh năng lượng và bảo vệ nguồn nước, bốn nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

• Hoàn thiện quy trình canh tác sắn bền vững chống xói mòn và rửa trôi dinh dưỡng:

  • Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn chủ trì, phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh trung du miền núi.
  • Hành động: Hướng dẫn nông dân áp dụng kỹ thuật bón phân cân đối theo nhu cầu thổ nhưỡng (giới hạn mức đạm dưới 100 kg N/ha), chuyển đổi sang phân bón hữu cơ vi sinh dạng tan chậm, kết hợp trồng xen băng cỏ Vetiver hoặc cây họ đậu trên đất dốc.
  • Mục tiêu định lượng: Giảm 25% lượng N, P bị rửa trôi vào nguồn nước mặt và tiết giảm 10% lượng nước tiêu hao bốc hơi trên đồng ruộng vào giai đoạn 2018 - 2022.

• Chuẩn hóa hệ sinh thái xử lý nước thải sau công trình khí sinh học:

  • Chủ thể thực hiện: Chi cục Bảo vệ Môi trường cấp tỉnh cùng các chủ trang trại chăn nuôi quy mô trên 300 con gia súc.
  • Hành động: Bắt buộc lắp đặt hệ thống lọc lắng kết hợp bãi lọc thực vật thủy sinh (bèo lục bình, cỏ vetiver) tiếp nối sau bể điều áp của các hầm biogas mẫu KT1 và KT2 trước khi thải ra nguồn tiếp nhận tự nhiên.
  • Mục tiêu định lượng: Đưa 100% các thông số BOD5, COD, Coliforms sau xử lý đạt chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Cột B trong lộ trình từ năm 2018 đến năm 2025.

• Ứng dụng công nghệ tuần hoàn và tái sử dụng nước tại các nhà máy cồn sinh học:

  • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý và kỹ sư vận hành tại 4 nhà máy ethanol lớn (Tam Nông, Đại Tân, Dung Quất, Bình Phước).
  • Hành động: Nâng cấp dây chuyền xử lý nước ngưng tụ từ tháp chưng cất, thu hồi và tái tuần hoàn 80% lượng nước làm mát phục vụ quá trình nấu và lên men tinh bột sắn.
  • Mục tiêu định lượng: Cắt giảm định mức tiêu hao nước chế biến từ 22,5 lít xuống dưới 12 lít nước/lít ethanol thành phẩm trong giai đoạn 2019 - 2023.

• Thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước tự động tại các lưu vực sông trọng điểm:

  • Chủ thể thực hiện: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Ủy ban nhân dân các tỉnh có diện tích sắn trên 10.000 ha.
  • Hành động: Lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục giám sát lưu lượng và các chỉ tiêu COD, BOD, Tổng Nitơ tại các cửa xả lưu vực vùng nguyên liệu tập trung.
  • Mục tiêu định lượng: Giám sát 100% các điểm xả thải chế biến nông sản và năng lượng sinh học từ năm 2020 đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Cơ quan hoạch định chính sách môi trường và năng lượng:

  • Các chuyên viên tại Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Công Thương và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
  • Giá trị ứng dụng: Sử dụng bộ chỉ số GBEP và định mức tiêu hao nước (0,155 m3/MJ đối với sắn, 0,00876 m3/MJ đối với biogas) để xây dựng quy hoạch phân vùng nguyên liệu sinh khối và ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường nông nghiệp.

• Doanh nghiệp sản xuất cồn sinh học và chủ trang trại chăn nuôi quy mô lớn:

  • Ban điều hành các nhà máy ethanol, công ty chế biến tinh bột sắn và các tổ hợp chăn nuôi gia súc tập trung.
  • Giá trị ứng dụng: Tham chiếu định mức tiêu thụ nước công nghiệp (22,5 lít nước/lít cồn) để tối ưu hóa quy trình sản xuất sạch hơn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải công suất từ 50 đến 100 triệu lít/năm.

• Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Môi trường:

  • Các nhà khoa học thuộc lĩnh vực Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên Nước và Năng lượng Tái tạo.
  • Giá trị ứng dụng: Kế thừa khung phương pháp tính toán dấu chân nước và bộ số liệu thực nghiệm phân tích 45 mẫu nước tại tỉnh Phú Thọ để mở rộng nghiên cứu sang các loại cây trồng sinh học khác như mía đường, ngô, cọ dầu.

• Cán bộ khuyến nông và ban quản trị hợp tác xã nông nghiệp:

  • Kỹ sư nông nghiệp và cán bộ địa phương phụ trách hướng dẫn kỹ thuật canh tác.
  • Giá trị ứng dụng: Triển khai các tài liệu hướng dẫn bón phân khoa học cho cây sắn (chuẩn hóa định mức dưới 120 kg N/ha) và quy trình vận hành hầm biogas hợp vệ sinh nhằm bảo vệ nguồn nước ngầm nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

Phát triển nhiên liệu sinh học từ sắn có gây nguy cơ cạn kiệt tài nguyên nước quốc gia không? Ở quy mô vĩ mô toàn quốc, sản xuất bio-ethanol không gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nước. Năm 2016, lượng nước phục vụ 19 triệu lít ethanol chỉ chiếm 0,0067% tổng lượng nước tái tạo của Việt Nam (884,1 km3/năm). Tuy nhiên, ở quy mô lưu vực cục bộ, việc mở rộng diện tích sắn lên hàng nghìn hecta tại các sườn đất dốc có thể làm gia tăng áp lực thiếu nước mặt vào mùa khô nếu thiếu các công trình tích trữ thủy lợi.

Tại sao giai đoạn trồng sắn lại tiêu hao nước vượt trội so với giai đoạn chế biến tại nhà máy? Giai đoạn trồng sắn chiếm 99,28% tổng lượng nước do chu kỳ sinh trưởng của sắn kéo dài trung bình 330 ngày ngoài trời. Lượng nước bốc thoát hơi sinh lý qua thân lá đạt mức 29,7 m3/ha/ngày (tương đương 9.801 m3/ha/vụ). Trong khi đó, khâu chế biến công nghiệp tại nhà máy chỉ tiêu tốn 22,5 lít nước cho mỗi lít ethanol thành phẩm, chiếm tỷ lệ rất nhỏ là 0,72%.

Nguyên nhân chính khiến nguồn nước quanh các vùng trồng sắn ở Phú Thọ bị ô nhiễm là gì? Nguyên nhân chủ yếu do nông dân bón phân vượt mức khuyến nghị (trung bình 14,1 tấn phân bón/ha, lượng đạm nguyên chất đạt 142,9 kg N/ha, vượt xa mức chuẩn 80 - 120 kg N/ha). Do địa hình đồi dốc và thiếu thảm thực vật che phủ ngăn dòng chảy tràn, lượng phân bón dư thừa bị nước mưa rửa trôi trực tiếp xuống ao hồ, đẩy nồng độ COD lên tới 241,3 mg/L (vượt 4,8 lần chuẩn QCVN 08-MT:2015).

Nước thải sau khi qua hầm biogas có thể xả trực tiếp ra mương thủy lợi tự nhiên không? Tuyệt đối không nên xả trực tiếp. Dù hầm biogas xử lý kỵ khí giúp chuyển hóa chất thải chăn nuôi thành khí đốt (sản sinh 1.851,3 GWh năng lượng toàn quốc), dòng thải sau bể điều áp vẫn chứa hàm lượng Coliforms, Nts và Pts hòa tan vượt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT. Dòng thải này bắt buộc phải qua hồ lắng sinh học hiếu khí hoặc bãi lọc thực vật trước khi thoát ra tự nhiên.

Suất tiêu hao nước của ethanol từ sắn tại Việt Nam so với thế giới ở mức nào? Suất tiêu hao nước của cồn sắn Việt Nam là 0,155 m3/MJ, cao hơn 24% so với mức trung bình thế giới (0,125 m3/MJ theo khảo sát tại 5 quốc gia của tổ chức quốc tế). Nguyên nhân là do năng suất sắn nước ta (18,55 tấn/ha) thấp hơn các nước trong khu vực như Thái Lan (21,82 tấn/ha) và Lào (25,17 tấn/ha), dẫn đến lượng nước bốc thoát hơi tính trên một đơn vị sinh khối thu hồi bị đội lên cao.

Kết luận

• Định lượng chính xác suất tiêu hao nước: Nghiên cứu xác lập suất sử dụng nước của bio-ethanol từ cây sắn là 0,155 m3/MJ (giai đoạn trồng trọt chiếm 99,28%) và của khí sinh học biogas là 0,00876 m3/MJ.
• Chứng minh mức độ an toàn vĩ mô về tài nguyên nước: Tổng nhu cầu nước cho cả hai chuỗi năng lượng sinh học chỉ chiếm chưa đến 0,01% tổng nguồn nước có thể tái tạo (TARWR) của Việt Nam (884,1 km3/năm).
• Phát hiện rủi ro ô nhiễm dòng chảy cục bộ: Lạm dụng phân bón (142,9 kg N/ha) trên đất dốc tại Phú Thọ khiến COD nước mặt vượt 4,8 lần và Nitrate vượt 5,8 lần ngưỡng QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
• Khẳng định giá trị kép của công nghệ biogas: Hệ thống hầm KSH toàn quốc giúp xử lý trên 58,46 triệu m3 nước thải hữu cơ, đồng thời tạo ra 1.851,3 GWh năng lượng nhiệt và điện sạch hàng năm.
• Thiết lập khung phương pháp luận chuẩn hóa: Đóng góp hệ thống chỉ số GBEP kết hợp thực nghiệm phục vụ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên nước và kiểm soát ô nhiễm nông nghiệp.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp bức tranh định lượng toàn diện đầu tiên về mối tương tác Nước - Năng lượng - Môi trường trong bối cảnh thực hiện lộ trình xăng sinh học E5 đến năm 2025 và tầm nhìn 2030. Các cơ quan quản lý nhà nước, viện nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng cần ứng dụng ngay bộ chỉ số này để chuẩn hóa quy hoạch vùng nguyên liệu và áp dụng giải pháp canh tác sinh thái, đảm bảo sự phát triển bền vững cho nền kinh tế xanh Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hiện trạng khai thác và sử dụng năng lƣợng sinh học ở Việt Nam và Thế giới Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lượng, khoảng 50 nước ở khắp các châu lục khai thác và sử dụng năng lượng sinh học ở các mức độ khác nhau. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, năm 2018 là khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm 2020 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Brasil Brasil là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol sinh họclàm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ năm 1970.

Tất cả các loại xăng ở quốc gia này đều pha khoảng 25% ethanol (E25), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do không phải nhập dầu mỏ. Hiện tại, ở nước này có 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn ethanol và trên 17 triệu ôtô sử dụng E25. Thành công này bắt nguồn từ chương trình Proalcool của Chính phủ được thực thi từ năm 1975, chương trình này đã trở thành mẫu hình cho nhiều quốc gia khác tham khảo. Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng xăng dầu sử dụng.

Để khuyến khích sử dụng nhiêu liệu sạch, Chính phủ đã thực hiện việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol và 1 USD /gallon diesel sinh học, hỗ trợ các doanh nghiệp nhỏ sản xuất năng lượng sinh học. Người đứng đầu Nhà trắng đã tuyên bố sẽ đưa nước Mỹ thoát khỏi sự phụ thuộc dầu mỏ từ nước 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ngoài, bằng cách đầu tư lớn cho nghiên cứu và phát triển để tạo công nghệ mới sản xuất năng lượng sạch và năng lượng sinh học. Sản xuất điện từ biogas và sinh khối hiện nay đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW/năm (năm 2009), và dự kiến sẽ tăng lên 5400 nhà máy năm 2018.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Nga Công ty JSC PromSviaz Automatika của Nga sẽ hợp tác với chính quyền tỉnh Nam Sulawesi (Inđônêxia) xây dựng một nhà máy điện sử dụng năng lượng sinh học mới có công suất từ 20-100 MW nhằm giúp Nam Sulawesi khắc phục tình trạng thiếu điện kéo dài.[9] Báo Bưu điện Giacácta ngày 10/11 dẫn lời ông Vladimir Khusainov, Tổng giám đốc JSC PromSviaz Automatika cho biết nhà máy điện trên sẽ sử dụng vỏ trấu và rơm để làm nhiên liệu chạy máy phát điện. Khu vực Nam Sulawesi có thể cung cấp đầy đủ số lượng vỏ trấu và rơm với chất lượng đảm bảo cho hệ thống máy phát điện.

Ông Khusainov cho biết nhà máy điện sử dụng loại năng lượng sinh học mới này có giá thành thấp hơn các nhà máy điện sử dụng than và dầu diesel, đồng thời góp phần làm giảm bớt ô nhiễm môi trường. Mặt khác, than của vỏ trấu và rơm sau khi bị đốt cháy trong các lò có thể được thu hồi và đem bán cho các nhà máy xi măng hoặc các cơ sở công nghiệp chế biến dầu thô. Một triệu tấn vỏ trấu có thể sản xuất ra 100 MW điện và 5 triệu tấn rơm có thể sản xuất được 400 MW. Trong khi đó, ông Shyahrul, Chủ tịch tỉnh Nam Sulawesi cho biết tỉnh này hiện đang bị thiếu hụt từ 50-80 MW điện.

Ngoài việc sử dụng vỏ trấu và rơm để sản xuất điện, nhà máy sử dụng năng lượng sinh học mới còn giúp khuyến khích bà con nông dân trồng lúa và mang lại thu nhập thêm cho họ. Tờ báo cũng dẫn lời ông Vasily Tsarev, 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chủ tịch Tập đoàn Bantry Corporation của Nga nói tập đoàn này cũng đang xây dựng một số nhà máy điện sử dụng năng lượng sinh học mới ở Đảo Java và ở Bắc Sumatra.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Canada Ở Canada, trường đại học Lakehead hiện đang nghiên cứu chế tạo dầu sinh học thông qua việc hoá lỏng các loại sinh khối, chất thải trong nông nghiệp như phần thải từ cây lúa mì, ngô, v.v… Theo đó, qua một quá trình thuỷ phân dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao từ các loại sinh khối này sẽ thu được dầu sinh học (bio- crude oil) có thể dùng để phát triển biodiesel sau này. Một hướng nghiên cứu khác là thay thế ethanol bằng butanol sinh học bởi nó cung cấp nhiều năng lượng hơn khi cùng một đơn vị thể tích. Một số trường đại học, viện nghiên cứu ở Mỹ và Hàn Quốc đã nghiên cứu để chế tạo butanol sinh học từ các loại sinh khối.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Achentina Achentina đã phê duyệt Luật Năng lượng sinh học (tháng 4.2006) quy định năm 2010 các nhà máy lọc dầu pha 5% ethanol và 5% diesel sinh học trong xăng dầu để bán trên thị trường.

Costa Rica, Philipin… đều có lộ trình sử dụng diesel sinh học từ dầu cọ, dầu dừa. Các quốc gia thuộc châu âu đều có chương trình Năng lượng sinh học như: Đức, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Italia, Hà Lan, Thụy Điển, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, áo, Bungari, Ba Lan, Hungari, Ucraina, Belarus, Nga, Slôvakia[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Nhật Bản Ở Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh học (Nippon Biomas Strategy) từ năm 2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối (biomass town) và đã có 208 đô thị đạt danh hiệu này, mục tiêu đến 2020 sẽ đạt 300 thành phố/đô thị.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Hàn Quốc Hàn Quốc đã xây dựng cho mình một Chiến lược tăng trưởng xanh, phát thải ít cac-bon ( chiến lược tăng trưởng xanh và ít các-bon) trong vòng 60 năm tới với 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] các công cụ chính là công nghệ, chính sách và thay đổi lối sống. Đối với lãnh đạo đất nước này, tăng trưởng xanh không phải là một sự lựa chọn mà là sự lựa chọn duy nhất. Một trong những mục tiêu mà Chiến lược đề ra là đến 2050, Hàn Quốc sẽ hoàn toàn không bị phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giải pháp chính là tăng cường năng lượng hạt nhân, phát triển năng lượng tái tạo.

Năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu, phát triển ở đất nước này với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt 11%, trong đó năng lượng từ sinh khối sẽ đạt 7,12%. Ngoài các công nghệ chế tạo biogas thông thường như từ sinh khối, từ chất thải chăn nuôi, Hàn Quốc đang tích cực phát triển bioga từ bùn thải. Theo tính toán của các nhà khoa học thì cứ 100kg COD bùn thải (từ hệ thống xử lý nước thải) khi đi vào bể yếm khí sẽ cho ra 40-45m3 khí mê-tan, 5kg bùn và nước thải có chứa 10- 20kg COD[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Trung Quốc Trung Quốc đã có Luật năng lượng tái tạo và hiện nay đã có hơn 80 nhà máy điện sản xuất từ sinh khối với công suất đến 50MW/nhà máy. Tiềm năng là có thể đạt được 30GW điện từ loại hình năng lượng này và Chính phủ hiện đang thúc đẩy hợp tác, mời gọi đầu tư.

Việc nghiên cứu phát triển biogas để chạy máy phát điện từ bùn thải từ các trạm xử lý nước thải cũng đang được thực hiện. Đây là một hoạt động rất có tiềm năng vì hiện nay trên toàn Trung Quốc đã có đến 1521 nhà máy xử lý nước thải được xây dựng tính đến năm 2008 và sẽ tiếp tục tăng, với tỷ lệ nước thải được xử lý là 28% (1999), 63% (2008) và 70% (dự kiến 2018).[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Thái Lan Từ năm 1985, Thái Lan đã huy động hàng chục cơ quan khoa học đầu ngành để thực thi dự án Hoàng gia phát triển công nghệ hiệu quả sản xuất ethanol và diesel sinh học từ dầu cọ. Năm 2001, nước này đã thành lập ủy ban ethanol nhiên liệu quốc gia (NEC) do Bộ trưởng Công nghiệp phụ trách để điều hành chương trình phát triển NLSK. Năm 2003, đã có hàng chục trạm phân phối xăng E10 ở Băngcốc và vùng phụ cận.

Chính phủ khẳng định E10 và B10 sẽ được sử dụng trong cả nước vào đầu thập kỷ tới.[9] 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ở Thái Lan, Chính phủ đề ra mục tiêu năng lượng tái tạo đạt 20% trên tổng năng lượng tiêu thụ vào năm 2022. Thái Lan đã bãi bỏ việc sử dụng dầu diesel 100% từ 2008, thay vào đó là B2 và dự kiến đến năm 2011 sẽ chuyển sang B5. Biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu cọ (palm oil) với tổng khối lượng là 1,3 triệu tấn biodiesel/ngày (2008) và dự kiến đến 2022, số lượng này sẽ là 4,5 triệu lít/ngày. Thái Lan cũng tích cực thức đẩy việc thu mua, tái chế các loại dầu ăn thải bỏ sau sử dụng từ các cơ sở công nghiệp thực phẩm, từ các nhà hàng, khách sạn, các hộ gia đình để sản xuất thức ăn gia súc và chế biến biodiesel.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Phillipine Ở Phillipine, Luật nhiên liệu sinh học (Biofuel Act) được ban hành từ năm 2006 với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch.

Hiện nay việc sản xuất B2 và E5 là bắt buộc đối với các nhà sản xuất, phân phối nhiên liệu ở Phillipine. Indonesia, ngoài sản xuất biodiesel từ dầu cọ, hiện cũng đang thúc đẩy thực hiện Dự án làng tự cung cấp về năng lượng theo đó khuyến khích phát triển năng lượng từ sinh khối như chất thải vật nuôi, chất thải của sản xuất cacao, v.v… Ngoài dầu cọ, Indonesia đang phát triển mạnh cây cọc rào (jatropha) để sản xuất diesel sinh học.[9] Sử dụng năng lượng sinh học ở Ấn Độ Ấn Độ hiện tiêu thụ khoảng 2 triệu thùng dầu mỏ /ngày nhưng có tới 70% phải nhập khẩu. Chính phủ đã có kế hoạch đầu tư 4 tỷ USD cho phát triển nhiên liệu tái tạo, mỗi năm sản xuất khoảng 3 tỷ lít ethanol. Từ tháng 1.2003, 9 bang và 4 tiểu vùng đã sử dụng xăng E5, thời gian tới sẽ sử dụng ở các bang còn lại, sau đó sử dụng trong cả nước.

Để phát triển diesel sinh học dùng cho giao thông công cộng, 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.