Nghiên cứu so sánh việc sử dụng biogas từ phân gia súc tại Việt Nam với trọng tâm vào cân bằng CO2

Luận văn thạc sĩ phân tích hus comparative casestudy of biogas utilization from livestock manure in vietnam focussing on co2, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trương Thị Kim Dung
• Người hướng dẫn: Dr. Christoph Wünsch
• Trường học: Hanoi University of Science, Vietnam National University and Technische Universität Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment
• Chuyên ngành: Waste Management and Contaminated Site Treatment
• Đề tài: Comparative Case Study Of Biogas Utilization From Livestock Manure In Vietnam (Focussing On CO2 Balance)
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Dresden

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• 1. INTRODUCTION
• 1.1. Greenhouse effects and climate change
• 1.1.1. Greenhouse effects
• 1.1.2. Climate change
• 1.1.2.1. Definitions of climate change
• 1.1.2.2. Climate change over the world
• 1.1.2.3. Climate change in Vietnam
• 1.2. Greenhouse gas emission situation in Vietnam
• 2. OVERVIEW ON BIOGAS
• 2.1. Scientific theory of anaerobic digestion (biogas formation)
• 2.2. Composition of biogas
• 2.3. Substrates for anaerobic digestion
• 3. BIOGAS PROJECT IN VIETNAM
• 3.1. Technology of anaerobic digester used in the project
• 3.2. Structure of the anaerobic digester
• 3.3. Operation of the biogas plant
• 3.4. Treatment efficiency of biogas plants
• 3.5. Utilization of outputs from biogas plants
• 3.5.1. Utilization of biogas
• 3.5.2. Utilization of bio-slurry
• 3.6. GHG reduction from manure management
• 3.7. GHG reduction from the fossil fuel substitution in thermal application or electricity generation
• 3.8. GHG reduction from chemical fertilizer substitution by bio-slurry
• 3.9. Calculation and results
• 3.9.1. GHG reduction at household scale
• 3.9.2. GHG reduction at farm scale
• ABBREVIATION
• LIST OF TABLES
• LIST OF CHARTS
• LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Tổng quan về biogas từ phân gia súc và cân bằng CO2

Biogas từ phân gia súc là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng tại Việt Nam. Việc sử dụng biogas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc cân bằng khí CO2. Nghiên cứu này sẽ phân tích chi tiết về quy trình sản xuất biogas từ phân gia súc và tác động của nó đến môi trường.

1.1. Biogas là gì và quy trình hình thành

Biogas là khí sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí của chất hữu cơ. Quy trình này diễn ra trong các bể biogas, nơi mà phân gia súc được xử lý để tạo ra khí methane và các sản phẩm phụ khác.

1.2. Tác động của biogas đến môi trường

Việc sử dụng biogas giúp giảm thiểu lượng khí thải nhà kính, đặc biệt là CO2 và CH4. Nghiên cứu cho thấy rằng việc chuyển đổi phân gia súc thành biogas có thể giảm đáng kể lượng khí thải từ hoạt động chăn nuôi.

II. Vấn đề ô nhiễm môi trường từ phân gia súc tại Việt Nam

Ô nhiễm từ phân gia súc là một trong những vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam. Việc không xử lý đúng cách dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.

2.1. Tình hình chăn nuôi và quản lý chất thải

Tình hình chăn nuôi tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, dẫn đến lượng chất thải lớn. Việc quản lý chất thải chưa hiệu quả, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm môi trường

Ô nhiễm từ phân gia súc không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn làm suy giảm chất lượng đất và nước, gây ra những tác động tiêu cực đến nông nghiệp bền vững.

III. Phương pháp sản xuất biogas từ phân gia súc hiệu quả

Có nhiều phương pháp để sản xuất biogas từ phân gia súc, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các công nghệ hiện đại và hiệu quả nhất.

3.1. Công nghệ biogas phổ biến tại Việt Nam

Các công nghệ biogas phổ biến bao gồm bể biogas dạng cố định và bể biogas dạng nổi. Mỗi loại có cấu trúc và cách vận hành khác nhau, phù hợp với quy mô và loại hình chăn nuôi.

3.2. Hiệu quả xử lý và sản xuất năng lượng

Nghiên cứu cho thấy rằng các bể biogas có thể xử lý đến 90% chất thải hữu cơ và sản xuất năng lượng đủ để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của hộ gia đình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của biogas trong nông nghiệp bền vững

Biogas không chỉ là nguồn năng lượng mà còn có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong nông nghiệp, từ việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị đến việc cải thiện chất lượng đất.

4.1. Sử dụng biogas cho sinh hoạt và sản xuất

Biogas có thể được sử dụng để nấu ăn, chiếu sáng và thậm chí là phát điện. Điều này giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tiết kiệm chi phí cho hộ gia đình.

4.2. Tác động tích cực đến đất và cây trồng

Sản phẩm phụ từ biogas, như phân bón hữu cơ, giúp cải thiện độ màu mỡ của đất, tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu việc sử dụng phân hóa học.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của biogas tại Việt Nam

Việc phát triển công nghệ biogas từ phân gia súc không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững. Tương lai của biogas tại Việt Nam rất hứa hẹn nếu được đầu tư và phát triển đúng cách.

5.1. Những thách thức trong việc phát triển biogas

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phát triển biogas vẫn gặp phải nhiều thách thức như thiếu kiến thức, công nghệ và nguồn vốn đầu tư.

5.2. Định hướng phát triển biogas trong tương lai

Cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào công nghệ biogas, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này trong nông nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng nhanh chóng của lượng phát thải khí nhà kính đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với sự phát triển bền vững tại Việt Nam. Theo thống kê kiểm kê khí nhà kính quốc gia năm 2000, Việt Nam phát thải khoảng 151 triệu tấn CO2 tương đương (CO2e), trong đó ngành nông nghiệp là nguồn phát thải lớn nhất chiếm tới 43,1% (tương đương hơn 65 triệu tấn CO2e), vượt qua cả ngành năng lượng chiếm 35,0% và công nghiệp chiếm 6,6%. Sự tăng trưởng mạnh mẽ của ngành chăn nuôi, đặc biệt là đàn lợn tăng từ 20,194 triệu con năm 2000 lên hơn 27,313 triệu con năm 2010 với sản lượng thịt đạt trên 2,55 triệu tấn, đã tạo ra một áp lực khổng lồ lên môi trường nông thôn. Hơn 50% tổng lượng chất thải rắn chăn nuôi trong giai đoạn này không được xử lý đạt chuẩn mà xả thẳng ra các ao hồ kỵ khí tự nhiên, gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng và phát tán lượng lớn khí metan (CH4) cùng oxit nitơ (N2O) vào khí quyển.

Trước thực trạng đó, Dự án Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam do Cục Chăn nuôi thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (MARD) phối hợp với Tổ chức Phát triển Hà Lan (SNV) triển khai từ năm 2003 đã xây dựng được hơn 106.000 công trình hầm biogas tại hơn 50 tỉnh thành trên toàn quốc. Tuy nhiên, các đánh giá trước đây chủ yếu tập trung vào khía cạnh kinh tế và xã hội, thiếu vắng các nghiên cứu định lượng chuyên sâu về cân bằng khí thải. Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Quản lý chất thải và Xử lý vùng ô nhiễm của tác giả Trương Thị Kim Dung, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Christoph Wünsch tại Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) phối hợp cùng Đại học Công nghệ Dresden (CHLB Đức) năm 2011, đã giải quyết khoảng trống học thuật này. Nghiên cứu tập trung đánh giá chi tiết cân bằng phát thải khí nhà kính (CO2 balance) của phương pháp xử lý phân gia súc bằng công nghệ phân hủy kỵ khí, lượng hóa tiềm năng giảm phát thải ở cả quy mô hộ gia đình và quy mô trang trại, từ đó cung cấp dữ liệu tham chiếu chuẩn mực phục vụ mục tiêu cam kết giảm phát thải theo Nghị định thư Kyoto mà Việt Nam đã tham gia ký kết từ năm 2002.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết phân giải kỵ khí sinh học 4 giai đoạn làm nền tảng cốt lõi giải thích quá trình biến đổi chất thải hữu cơ thành năng lượng tái tạo:

• Giai đoạn thủy phân (Hydrolysis): Các hợp chất cao phân tử như cellulose, protein và chất béo bị bẻ gãy thành các hợp chất đơn giản như monosaccarit, axit amin và axit béo nhờ enzyme của vi sinh vật kỵ khí tùy tiện và bắt buộc.
• Giai đoạn axit hóa (Acidogenesis): Vi sinh vật tạo axit tiếp tục chuyển hóa các sản phẩm trung gian thành các axit hữu cơ mạch ngắn (C1 đến C5 như axit axetic, propionic, butyric), rượu, hydro và khí cacbonic.
• Giai đoạn axetat hóa (Acetogenesis): Vi sinh vật đồng hình axetat chuyển đổi hydro và khí cacbonic thành axit axetic theo phản ứng hóa học nghiêm ngặt.
• Giai đoạn metan hóa (Methanogenesis): Các vi khuẩn sinh metan bắt buộc chuyển hóa các sản phẩm axetat, hydro và CO2 thành khí metan (CH4), nước và CO2 trong điều kiện kỵ khí hoàn toàn với thế oxy hóa khử dưới âm 250 mV.

Hỗn hợp khí sinh học tạo ra có tỷ lệ khí metan chiếm từ 40% đến 75%, carbon dioxide chiếm từ 25% đến 40%, đạt nhiệt trị trung bình khoảng 6,5 kWh/m3 (tương đương 0,65 lít dầu quy đổi trên mỗi m3 biogas). Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng khung lý thuyết cân bằng phát thải khí nhà kính theo chuẩn quốc tế: Mức giảm phát thải ròng (ERy) bằng phát thải đường cơ sở (BEy) trừ đi phát thải của dự án (PEy). Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa bao gồm: Kịch bản đường cơ sở (Baseline Scenario), Khí sinh học (Biogas), Bã thải sinh học (Bio-slurry), và Tiềm năng làm nóng lên toàn cầu (GWP).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp nguồn dữ liệu thực nghiệm diện rộng từ dự án khí sinh học MARD-SNV cùng hệ số phát thải chuẩn quốc tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm mạng lưới hơn 106.000 công trình khí sinh học tại hơn 50 tỉnh thành trên cả nước. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo khu vực địa lý và điều kiện khí hậu được áp dụng để đánh giá hai thiết kế hầm vòm cố định điển hình: mô hình KT1 tại các tỉnh miền Bắc và mô hình KT2 tại các tỉnh phía Nam. Lý do lựa chọn hai mẫu hình này là vì chúng đại diện cho giải pháp công nghệ vòm nắp cố định phổ biến nhất tại Việt Nam, tối ưu hóa vật liệu xây dựng địa phương và duy trì nhiệt độ lên men ổn định từ 25 đến 35 độ C dưới lòng đất.

Phương pháp phân tích định lượng khí nhà kính được tích hợp chặt chẽ giữa hai chuẩn mực:

• Phương pháp luận AMS-III.R phiên bản 02 của Công ước Khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC) dành cho hoạt động thu hồi và tiêu hủy metan trong nông nghiệp quy mô nhỏ, áp dụng để tính toán phát thải metan từ các hồ chứa phân không thu hồi khí.
• Hướng dẫn Kiểm kê Khí nhà kính Quốc gia của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC 2006, Tập 4) để lượng hóa phát thải oxit nitơ (N2O) gián tiếp từ quá trình bay hơi của hợp chất nitơ trong quản lý phân chuồng. Việc lựa chọn phương pháp tích hợp này đảm bảo tính tương thích cao nhất với các tiêu chuẩn dự án tín chỉ carbon quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và thực tiễn cao:

• Cắt giảm mạnh mẽ khí nhà kính theo quy mô chăn nuôi: Ở quy mô hộ gia đình điển hình nuôi 6 con lợn sử dụng khí sinh học cho đun nấu, lượng khí nhà kính giảm trừ đạt hàng tấn CO2e mỗi năm nhờ loại bỏ khí metan thoát tự do và thay thế nhiên liệu đốt truyền thống. Ở quy mô trang trại nuôi 100 con lợn kết hợp phát điện, hệ thống sản xuất hàng ngàn kWh điện sạch và cắt giảm hàng ngàn tấn CO2e mỗi năm.
• Hiệu quả làm sạch môi trường nước vượt bậc: Công nghệ hầm ủ KT1 và KT2 đạt hiệu suất xử lý chất ô nhiễm cực kỳ ấn tượng. Hàm lượng oxy sinh hóa BOD5 giảm từ 24.359 mg/l ở đầu vào xuống chỉ còn 156 mg/l ở đầu ra, tương ứng hiệu suất làm sạch đạt tới 99,30%. Nước thải sau xử lý đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT.
• Tối ưu hóa hiệu suất nhiệt năng: Bếp gas sinh học đạt hiệu suất nhiệt hữu dụng lên tới 60%, cao vượt trội so với hiệu suất cực thấp của bếp kiềng đun rơm rạ (11%), bếp củi truyền thống (17%), lò than tổ ong (28%) và bếp dầu hỏa (45%). Nhiệt trị của biogas đạt 5.200 kcal/m3, cung cấp nguồn năng lượng nhiệt ổn định và kinh tế cho sinh hoạt nông thôn.
• Giá trị vượt trội của phụ phẩm bã thải sinh học (Bio-slurry): Khoảng 62% hộ gia đình được khảo sát đã tận dụng hiệu quả bio-slurry làm phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng (Nito tổng số từ 170 đến 2.240 mg/l, P2O5 từ 56 đến 320 mg/l). Việc ứng dụng bio-slurry giúp tăng năng suất rau màu từ 20% đến 30%, cây công nghiệp tăng 15% đến 20%, lúa tăng 7%, đồng thời nâng cao thu nhập kinh tế của hộ nông dân từ 10% đến 130%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả định lượng trong nghiên cứu có thể được minh họa trực quan qua hệ thống bảng biểu so sánh giữa kịch bản cơ sở và kịch bản dự án, hoặc biểu đồ cột biểu diễn mức độ giảm phát thải CO2e tương ứng với quy mô đàn lợn từ 6 con đến 100 con. Biểu đồ đường phân tích phát thải ngành năng lượng cho thấy việc thay thế than đá và khí gas hóa lỏng bằng biogas giúp giảm tải trực tiếp cho ngành năng lượng quốc gia, vốn đã phát thải tới 45,9 triệu tấn CO2 từ đốt nhiên liệu trong năm 2000.

So sánh với các nghiên cứu xử lý chất thải hiếu khí truyền thống, công nghệ hầm biogas vòm cố định thể hiện ưu thế vượt trội trong việc kiểm soát tổn thất nitơ bay hơi, từ đó ngăn chặn sự hình thành phát thải N2O gián tiếp – loại khí có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu cao gấp 298 lần CO2. Điều này khẳng định hầm ủ kỵ khí không chỉ là giải pháp xử lý chất thải tại chỗ mà còn là công cụ giảm nhẹ biến đổi khí hậu mang tính chiến lược, hỗ trợ đắc lực cho các chính sách thực thi Luật Bảo vệ Môi trường 2005 và Luật Sử dụng Năng lượng Tiết kiệm và Hiệu quả 2010 của Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường nông nghiệp, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

• Mở rộng quy mô xây dựng hầm biogas công nghiệp tại 100% các trang trại chăn nuôi tập trung từ 100 con lợn trở lên trên phạm vi toàn quốc trong lộ trình 2012-2020, hướng tới mục tiêu cắt giảm từ 20% đến 30% tổng lượng phát thải khí nhà kính trong tiểu ngành chăn nuôi. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chủ trì, phối hợp cùng Ủy ban Nhân dân các tỉnh, thành phố.
• Chuẩn hóa quy trình kỹ thuật và ban hành cơ chế hỗ trợ tài chính cho các mô hình máy phát điện chạy bằng biogas công suất vừa và nhỏ tại trang trại quy mô trên 100 con, hoàn thành trong giai đoạn 2012-2015 nhằm tận dụng nguồn năng lượng thay thế cho điện lưới quốc gia. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương phối hợp với Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.
• Tích hợp công nghệ thu hồi khí sinh học vào cơ chế phát triển sạch (CDM) và thị trường tín chỉ carbon quốc tế, tạo điều kiện cho các chủ trang trại thu hồi từ 15% đến 25% vốn đầu tư ban đầu thông qua thương mại hóa chứng chỉ giảm phát thải CERs trong vòng 5 năm triển khai. Chủ thể thực hiện: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Bộ Tài chính.
• Thúc đẩy sử dụng toàn diện phụ phẩm bã thải sinh học (bio-slurry) thay thế phân bón hóa học thông qua việc tổ chức tập huấn kỹ thuật ủ phân compost cho trên 80% hộ chăn nuôi tại các địa phương, giúp cải tạo độ phì nhiêu của đất và hạn chế xói mòn. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Khuyến nông Quốc gia và Hội Nông dân các cấp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học về kiểm kê phát thải nông nghiệp (vốn chiếm 43,1% tổng phát thải quốc gia) để xây dựng Chiến lược Quốc gia về Biến đổi Khí hậu và hoàn thiện các quy định về bảo vệ môi trường trong chăn nuôi.
• Chủ trang trại và các doanh nghiệp chăn nuôi quy mô lớn: Cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và mô hình kinh tế để chuyển đổi chất thải từ 100 con lợn thành nguồn điện sinh hoạt, tiết kiệm hàng triệu đồng chi phí năng lượng mỗi tháng và xử lý triệt để mùi hôi.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Môi trường và Năng lượng tái tạo: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp luận tính toán cân bằng phát thải CO2 theo tiêu chuẩn kép IPCC 2006 và UNFCCC AMS-III.R.
• Các tổ chức phi chính phủ và chuyên gia tư vấn dự án carbon: Sử dụng dữ liệu thực chứng từ hơn 106.000 công trình hầm biogas làm tiền đề xây dựng, thẩm định và phê duyệt các dự án tín chỉ carbon nông thôn tại các quốc gia đang phát triển.

Câu hỏi thường gặp

Hầm biogas kiểu KT1 và KT2 có những ưu điểm kỹ thuật nổi bật nào so với các mô hình truyền thống? Hầm biogas nắp vòm cố định KT1 (cho miền Bắc) và KT2 (cho miền Nam) được thiết kế xây ngầm bằng vật liệu gạch địa phương, giúp tiết kiệm thép, giữ nhiệt độ lên men kỵ khí ổn định từ 25 đến 35 độ C và tự điều tiết áp suất khí gas thông qua bể điều áp, hạn chế tối đa nguy cơ nứt vỡ hoặc rò rỉ khí.

Phương pháp tính toán cân bằng phát thải khí nhà kính trong luận văn dựa trên cơ sở khoa học nào? Nghiên cứu kết hợp phương pháp luận AMS-III.R phiên bản 02 của UNFCCC để tính toán lượng metan thu hồi tiêu hủy và Hướng dẫn IPCC 2006 Tập 4 để tính toán lượng oxit nitơ (N2O) gián tiếp được giảm thiểu, đảm bảo độ chính xác cao và phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế.

Phụ phẩm bio-slurry sau quá trình phân giải kỵ khí có an toàn cho cây trồng và nguồn nước không? Bio-slurry rất an toàn nhờ hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ BOD5 đạt tới 99,30% và giảm mạnh vi khuẩn Coliform, đồng thời hàm lượng kim loại nặng như chì hay cadimi đều đạt chuẩn nước tưới tiêu theo QCVN 08:2008/BTNMT, cung cấp hàm lượng dinh dưỡng N-P-K dồi dào cho cây trồng.

Hiệu quả năng lượng của khí sinh học khi thay thế các nhiên liệu đốt khác trong sinh hoạt như thế nào? Biogas sở hữu nhiệt trị 5.200 kcal/m3 và hiệu suất bếp đạt tới 60%, vượt xa hiệu suất 11% của rơm rạ, 17% của củi và 28% của than tổ ong. Mỗi m3 biogas cung cấp mức năng lượng tương đương 0,65 lít dầu, giúp giải phóng hoàn toàn khói bụi độc hại cho hộ gia đình.

Quy mô đàn lợn tối thiểu bao nhiêu con thì việc đầu tư hầm biogas mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường rõ nét? Quy mô từ 6 con lợn ở cấp nông hộ đã đủ sản sinh khí gas đáp ứng 100% nhu cầu đun nấu gia đình và giảm hàng tấn CO2e mỗi năm. Với quy mô từ 100 con lợn ở cấp trang trại, hệ thống có thể kết hợp chạy máy phát điện công suất lớn, mang lại lợi ích kép về năng lượng và tín chỉ giảm phát thải.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình định lượng cân bằng phát thải khí nhà kính cho công nghệ biogas tại Việt Nam dựa trên chuẩn mực IPCC 2006 và UNFCCC AMS-III.R.
• Khẳng định hiệu quả xử lý môi trường vượt bậc của hơn 106.000 công trình hầm biogas KT1 và KT2 với tỷ lệ loại bỏ BOD5 đạt 99,30%, làm sạch nguồn nước mặt nông thôn.
• Chứng minh giá trị năng lượng và kinh tế toàn diện của biogas với hiệu suất nhiệt 60% và bio-slurry giúp nâng cao năng suất cây trồng tới 30%, tăng thu nhập hộ dân tới 130%.
• Cung cấp luận cứ thực tiễn quan trọng giúp ngành nông nghiệp đóng góp vào mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính quốc gia theo tinh thần Nghị định thư Kyoto.
• Mở ra định hướng chiến lược trong giai đoạn tiếp theo nhằm thương mại hóa tín chỉ carbon và nhân rộng mô hình phát điện sinh học tại các trang trại chăn nuôi trên toàn quốc.

Các nhà quản lý, doanh nghiệp nông nghiệp và chuyên gia môi trường hãy ứng dụng ngay các kết quả nghiên cứu và phương pháp tính toán từ luận văn để tối ưu hóa giải pháp xử lý chất thải, hướng tới nền nông nghiệp tuần hoàn không phát thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯƠNG THỊ KIM DUNG COMPARATIVE CASE STUDY OF BIOGAS UTILIZATION FROM LIVESTOCK MANURE IN VIETNAM (FOCUSSING ON CO2 BALANCE) Field: waste management and contaminated site treatment MASTER THESIS Supervisor: Dr. Christoph Wünsch Dresden, September, 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ACKNOWLEDGEMENT Firstly I would like to thank to the Hanoi University of Science, Vietnam National University and Techniche Universtät Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment, whose have established a good study program for us to learn a good new field of environment. I would like to thanks to Prof. Bernd Bilitewski, Prof.

Nguyen Thi Diem Trang and Dr. Hoang Van Ha, whose always keep an eye on our study and help us so much. My sincerely thanks to my supervisor Dr. Christoph Wünsch, Dipl.

Veit Grundmann , who guide and help me hold-heartedly during the time I did the thesis. And I also want to thanks to Dr. Catalin Stephan and Dipl. I still remember our discussion, small parties as well as your encouragements.

It helps me more self- confident in my ability. Finally I want to thanks so much to my family. You are my motivation to overcome difficulties in my life. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ABSTRACT From 2003 Livestock Production Department under Ministry of Agriculture and Rural Development - MARD cooperates with Netherlands Development Organization – SNV to deploy of domestic biogas program for livestock production in rural area.

The program not only solve environment problems in terms of pollution and improve rural life quality, it also contributes to greenhouse gas reduction considerably. At household scale, biogas is utilized mostly for cooking and such tons of greenhouse gas can be reduced from one household per year, mostly from correct livestock manure management and fossil fuel substitution. At farm scale, biogas can be utilized for electricity generation, thousands KWh of electricity can be produced and such thousand tons of greenhouse gas can be reduced per farm per year. It should be encouraged to apply this treatment method for all kinds of livestock of the country.

The greenhouse gas emission reduction will be much more significantly, contribute to meet the aim of the Kyoto Protocol “to achieve stabilization of atmospheric concentration of greenhouse gases at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system” that Vietnam signed in. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Contents INTRODUCTION. Greenhouse effects and climate change. Greenhouse gas emission situation in Vietnam.

Livestock growing situation in Vietnam. OVERVIEW ON BIOGAS. Scientific theory of anaerobic digestion (biogas formation). Composition of biogas.

Substrates for anaerobic digestion. BIOGAS PROJECT IN VIETNAM. Technology of anaerobic digester used in the project. Structure of the anaerobic digester.

Operation of the biogas plant. Treatment efficiency of biogas plants. Utilization of outputs from biogas plants. Utilization of biogas.

Utilization of bio-slurry. 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. GHG reduction from manure management. GHG reduction from the fossil fuel substitution in thermal application or electricity generation.

GHG reduction from chemical fertilizer substitution by bio-slurry. Calculation and results. GHG reduction at household scale. GHG reduction at farm scale.

71 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ABBREVIATION bn Billion e equivalent DM Dry matter (% or g/l) Ho,n Calorific value (kWh/Nm3) Hu,n Calorific value (kWh/Nm3) IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change GHG Greenhouse gas LFG Landfill gas MARD Ministry of agriculture and rural development MNVOC Non-methane volatile organic compounds SNV The Netherlands development organization VS Volatile solid UNFCCC United Nations framework Convention on Climate Change LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF TABLES Table 1: National greenhouse gas emission inventory by sector of Vietnam in 2000. 7 Table 2: greenhouse gas emission from agriculture sector. 8 Table 3: total primary energy consumption by type of energy. 9 Table 4: GHG emission from fuel combustion by type of fuel in 2000.

10 Table 5: GHG emission from fuel combustion by sub-sector. 10 Table 6: GHG emission from fuel combustion by type of gas. 11 Table 7: Livestock population growth (thousands). 13 Table 8: livestock and milk production, million metric tons.

14 Table 9: total livestock waste (solid) generation in 2006. 16 Table 10: Environmental requirements. 19 Table 11: Biogas composition. 19 Table 12: Biogas composition compared with natural gas.

20 Table 13: General energy characteristics of biogas. 21 Table 14: Treatment efficiency of biogas plants. 26 Table 15: Limited parameters for surface water quality according to the National technical regulation 2008. 27 Table 16: comparative values of biogas and other fuels.

28 Table 17: consumption of biogas and kerosene fuel in lighting according to the experience of the Institute of Energy. 30 Table 18: Nutrient concentrations in the bio-slurry. 32 Table 19: concentration of some heavy metals in bio-slurry. 33 Table 20: nutrient contents in compost fertilizer made from bio-slurry and agricultural waste.

34 Table 21: benefits from application of bio-slurry in agriculture in some provinces. 35 Table 22: input parameters for methane emission calculation from the baseline scenario (unrecoverable anaerobic lagoon). 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Table 23 input parameters for indirect nitrogen oxide emission calculation from the baseline scenario (unrecoverable anaerobic lagoon) and project scenario (biogas plant). 51 Table 24: result of GHG emission reduction from manure management.

52 Table 25: combustion efficiencies of combustion equipments with different fuels. 53 Table 26: GHG emission factor of coal. 54 Table 27: input parameters for GHG emission reduction calculation from fuel substitution in thermal application for at household scale. 54 Table 28: GHG reduction results for a household growing 6 pigs.

56 Table 29: Emission factors for stationary combustion in the residential and agricultural/forestry/fishing/farms. 58 Table 30: Results of GHG reduction in case different fossil fuel used in absence of the project. 59 Table 31: GHG emission reduction according to population of livestock (pig). 61 Table 32: the utilized biogas yield according to population of livestock (pig).

63 Table 33: GHG reduction for a farm growing 100 pigs with utilization of biogas for electricity generation. 66 Table 34: input parameters for GHG emission reduction calculation from biogas destruction in the outlook. 67 Table 35: The result of GHG emission reduction from biogas destruction in the outlook. 68 Table 36: input parameters for GHG emission reduction calculation from nitrogen oxide emission reduction in the outlook.

68 Table 37: The result of GHG emission reduction from nitrogen emission reduction in the outlook. 69 Table 38: The result of GHG emission reduction from manure management in the outlook. 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Table 39: input parameters for GHG emission reduction calculation fuel substitution in thermal application in the outlook. 70 Table 40: GHG emission reduction calculation fuel substitution in thermal application in the outlook.

70 Table 41: Total GHG emission reduction in the outlook. 71 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF CHARTS Chart 1: GHG reduction for a household growing 6 pigs with utilization of biogas for cooking purpose. 57 Chart 2: GHG reduction in case different fossil fuel used in the absence of the project. 60 Chart 3: GHG emission reduction according to number of livestock.

62 Chart 4: GHG reduction for a farm growing 100 pigs with utilization of biogas for electricity generation. 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF FIGURES Figure 1: The greenhouse effect principle. 3 Figure 2: changes in temperature, sea level and Northern Hemisphere snow cover. 5 Figure 3: National greenhouse gas emission inventory by sector of Vietnam in 2000.

8 Figure 4: Growth rate of pork production. 15 Figure 5: the anaerobic digestion process. 18 Figure 6: Types of fixed dome biogas plant used in the project are KT1 and KT2. 24 Figure 7: two limit stages of fixed dome plant.

25 Figure 8: diagram of biogas burner. 27 Figure 9: Structure of biogas lamp. 29 Figure 10: A biogas water boiler device. 31 Figure 11: Project scenario.

35 Figure 12: baseline scenario boundary of GHG reduction source: biogas destruction. 38 Figure 13: project scenario boundary of GHG reduction source: biogas destruction. 39 Figure 14: Baseline scenario boundary of GHG reduction source: fossil fuel substitution in thermal application. 43 Figure 15: project scenario boundary of GHG reduction source: fossil fuel substitution in thermal application.

43 Figure 16: Baseline scenario boundary of GHG reduction source: fossil fuel substitution in electricity generation. 44 Figure 17: Project scenario boundary of GHG reduction source: fossil fuel substitution in electricity generation. 45 Figure 18: baseline scenario boundary of GHG reduction source: chemical fertilizer substitution. 47 Figure 19: project scenario boundary of GHG reduction source: chemical fertilizer substitution.

47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] INTRODUCTION Above the environment pollution problems from the rapid growing in livestock production without livestock manure treatment, the situation of lack of energy, and the overuse of chemical fertilizer production for crop production. From 2003 Livestock Production Department under Ministry of Agriculture and Rural Development - MARD cooperates with Netherlands Development Organization – SNV to deploy of domestic biogas program to solve the short term of environment problems and also have the long term objective of improving the livelihood and quality of life of rural farmers in Vietnam. Until now there are more than 106000 biogas systems constructed in over 50 provinces nationwide, millions tons of livestock manure are treated. There are also some evaluation reports on economical and social effects.

But there isn’t any detail report evaluating on environmental effects, especially greenhouse gas reduction from that project. The aim of this research is the detail assessment of GHG emission balance from livestock manure treatment method by anaerobic digesters (biogas plants) in the project to provide the reference data about the benefits of that project in term of GHG emission balance. Greenhouse effects and climate change 1. Greenhouse effects “The greenhouse effect is a process by which thermal radiation from a planetary surface is absorbed by atmospheric greenhouse gases, and is re-radiated in all directions.

Since part of this re-radiation is back towards the surface, energy is transferred to the surface and the lower atmosphere. As a result, the temperature there 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] is higher than it would be if direct heating by solar radiation were the only warming mechanism” http://en.org/wiki/Greenhouse_effect From 1827, Joseph Fourier recognized the importance of the greenhouse effect for the Earth’s climate. He emphasized that the atmosphere is relatively transparent to solar radiation, but highly absorbent to thermal radiation and that this preferential trapping is responsible for raising the temperature of the Earth’s surface [Isaac M. “The natural greenhouse effect means the short-wave energy from the sun is absorbed at the earth’s surface and reradiated in the form of infrared Chart (long wave) radiation.

The greenhouse gas (some of low concentrate gases in atmospheric notably CO2, CH4, NOx, CO, etc.) absorb and emit long wave radiation. The increase in the atmospheric concentration of GHG leads to an incremental absorption and emission of long-wave radiation. All of them would result in a warming of the lower atmosphere and the surface of earth. This effect is referred as “greenhouse effect”.

Human beings and most other living creatures can not survive without Natural greenhouse effect. The greenhouse effect keeps the temperature of biosphere stable and filters some harmful radiations and hence protects the ecological system” [Jia Xiaodong, 2009] Because of influence from human activities, greenhouse gas is increased, leading to enhanced greenhouse effect and climate change.