Nghiên cứu so sánh về việc sử dụng biogas từ phân gia súc tại Việt Nam - Tác động đến cân bằng CO2

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về việc sử dụng biogas từ phân gia súc tại Việt Nam, tập trung vào cân bằng CO2 và lợi ích môi trường.

• Tác giả: Trương Thị Kim Dung
• Người hướng dẫn: Dr. Christoph Wünsch
• Trường học: Hanoi University of Science, Vietnam National University and Techniche Universität Dresden
• Chuyên ngành: Waste Management and Contaminated Site Treatment
• Đề tài: Tối ưu hóa biogas từ phân gia súc tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Dresden

Mục lục chi tiết

• 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
• 1.3. Livestock growing 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

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa biogas từ phân gia súc tại Việt Nam

Tối ưu hóa biogas từ phân gia súc là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và cung cấp nguồn năng lượng tái tạo. Tại Việt Nam, việc phát triển công nghệ biogas không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính. Chương trình biogas đã được triển khai từ năm 2003, với sự hợp tác giữa Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn và Tổ chức Phát triển Hà Lan.

1.1. Tình hình phát triển biogas tại Việt Nam

Việt Nam đã xây dựng hơn 106.000 hệ thống biogas trên toàn quốc, giúp xử lý hàng triệu tấn phân gia súc. Các hệ thống này không chỉ cải thiện chất lượng cuộc sống của nông dân mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Lợi ích của việc tối ưu hóa biogas

Việc tối ưu hóa biogas từ phân gia súc mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm phát thải khí nhà kính, cung cấp năng lượng cho sinh hoạt và sản xuất, và cải thiện chất lượng đất thông qua việc sử dụng phân bón hưu cơ.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa biogas từ phân gia súc

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tối ưu hóa biogas từ phân gia súc cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như công nghệ chưa hoàn thiện, chi phí đầu tư cao và nhận thức của người dân về lợi ích của biogas còn hạn chế.

2.1. Công nghệ biogas hiện tại

Công nghệ biogas hiện tại chủ yếu dựa vào quá trình tiêu hóa kỵ khí. Tuy nhiên, hiệu suất của các hệ thống này còn thấp, cần được cải tiến để tối ưu hóa sản lượng khí sinh ra.

2.2. Chi phí đầu tư và bảo trì

Chi phí đầu tư ban đầu cho các hệ thống biogas có thể cao, điều này khiến nhiều nông dân ngần ngại trong việc áp dụng. Bên cạnh đó, việc bảo trì và vận hành hệ thống cũng đòi hỏi kiến thức và kỹ năng nhất định.

III. Phương pháp tối ưu hóa biogas từ phân gia súc

Để tối ưu hóa biogas từ phân gia súc, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ tiên tiến. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống biogas hiệu quả hơn là rất cần thiết.

3.1. Nghiên cứu và phát triển công nghệ mới

Cần đầu tư vào nghiên cứu để phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực biogas, như cải tiến quy trình tiêu hóa kỵ khí và sử dụng các loại chất thải khác nhau làm nguyên liệu.

3.2. Tăng cường đào tạo và hỗ trợ kỹ thuật

Đào tạo nông dân về cách vận hành và bảo trì hệ thống biogas là rất quan trọng. Các chương trình hỗ trợ kỹ thuật từ chính phủ và các tổ chức phi chính phủ cũng cần được tăng cường.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về biogas

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa biogas từ phân gia súc không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho nông dân. Các hệ thống biogas đã được áp dụng thành công tại nhiều địa phương.

4.1. Kết quả từ các dự án biogas

Các dự án biogas đã giúp giảm hàng triệu tấn khí CO2 mỗi năm, đồng thời cung cấp nguồn năng lượng sạch cho hàng triệu hộ gia đình.

4.2. Ảnh hưởng đến môi trường và kinh tế

Việc sử dụng biogas không chỉ cải thiện chất lượng môi trường mà còn tạo ra nguồn thu nhập ổn định cho nông dân thông qua việc bán năng lượng và phân bón hưu cơ.

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

Tương lai của biogas từ phân gia súc tại Việt Nam rất hứa hẹn. Với sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức quốc tế, việc phát triển công nghệ và nâng cao nhận thức cộng đồng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả của các hệ thống biogas.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ biogas

Công nghệ biogas sẽ tiếp tục được cải tiến, giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí. Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng rộng rãi hơn trong cộng đồng nông thôn.

5.2. Tăng cường hợp tác quốc tế

Việc hợp tác với các tổ chức quốc tế sẽ giúp Việt Nam tiếp cận được các công nghệ tiên tiến và kinh nghiệm trong lĩnh vực biogas, từ đó nâng cao hiệu quả của các dự án trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo kiểm kê khí nhà kính quốc gia năm 2000, tổng lượng phát thải của Việt Nam đạt khoảng 150,9 triệu tấn CO2 tương đương, trong đó ngành nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn nhất với 43,1% (tương đương 65,09 triệu tấn CO2e), vượt qua cả ngành năng lượng (35,0%). Song song với sự tăng trưởng kinh tế ở mức 6,5% giai đoạn 1998-2003, ngành chăn nuôi gia súc phát triển vượt bậc với đàn lợn tăng từ 20,19 triệu con năm 2000 lên hơn 27,31 triệu con vào năm 2010. Tuy nhiên, hơn 60% lượng chất thải chăn nuôi rắn không qua xử lý đạt chuẩn mà xả trực tiếp ra các ao hồ kỵ khí tự nhiên, gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước mặt, phát tán mùi hôi và phát thải lượng lớn khí mê-tan ($CH_4$) cùng ô-xít đúp nitơ ($N_2O$) vào bầu khí quyển.

Trước thách thức đó, từ năm 2003, Cục Chăn nuôi thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (MARD) đã hợp tác cùng Tổ chức Phát triển Hà Lan (SNV) triển khai chương trình khí sinh học quốc gia. Nghiên cứu của tác giả Trương Thị Kim Dung tại Viện Quản lý Chất thải và Xử lý Địa bàn Ô nhiễm (Đại học Kỹ thuật Dresden, CHLB Đức) liên kết cùng Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN tập trung đánh giá chi tiết cân bằng phát thải khí nhà kính (CO2 balance) từ giải pháp xử lý phân gia súc bằng công nghệ hầm ủ kỵ khí. Mục tiêu cốt lõi là định lượng tiềm năng giảm phát thải tại quy mô hộ gia đình (6 con lợn) và trang trại (100 con lợn), tạo cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy phục vụ các mục tiêu giảm phát thải của Nghị định thư Kyoto và đóng góp vào chiến lược ứng phó biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai hệ thống lý thuyết chuyên sâu: lý thuyết phân hủy kỵ khí sinh học và lý thuyết cân bằng phát thải khí nhà kính theo vòng đời (LCA).

Quá trình phân hủy kỵ khí chuyển hóa sinh khối chất thải diễn ra qua 4 giai đoạn sinh hóa kế tiếp nhau: Thủy phân (Hydrolysis), Axit hóa (Acidogenesis), Axetat hóa (Acetogenesis) và Mê-tan hóa (Methanogenesis). Để hệ vi sinh vật kỵ khí hoạt động tối ưu, các thông số môi trường cần được kiểm soát chặt chẽ ở dải nhiệt độ trung bình từ 32°C đến 42°C, tỷ lệ Carbon/Nitơ (C:N) duy trì từ 20 đến 30, và độ pH ổn định ở mức 6,5 đến 7,5. Khí sinh học (biogas) tạo thành chứa từ 40% đến 75% khí $CH_4$, 25% đến 40% khí $CO_2$, cùng một lượng nhỏ $N_2$ (0,5-2%) và $H_2S$.

Về mặt kiểm kê khí nhà kính, nghiên cứu vận dụng nguyên lý tuần hoàn carbon sinh học: lượng $CO_2$ sinh ra từ quá trình đốt cháy biogas có nguồn gốc từ sinh khối nên chu trình carbon ròng được tính bằng 0, không làm gia tăng phát thải khí nhà kính ròng so với việc phát tán trực tiếp $CH_4$ (vốn có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu cao gấp 21-25 lần $CO_2$) và $N_2O$ (cao gấp 310 lần $CO_2$). Ba khái niệm trọng tâm bao gồm: Kịch bản cơ sở (Baseline scenario - xả thải trực tiếp vào hố phân kỵ khí hở), Kịch bản dự án (Project scenario - thu hồi khí trong công trình hầm ủ kín), và Giảm phát thải ròng (Net Emission Reduction).

Phương pháp nghiên cứu

Về nguồn dữ liệu, tác giả thu thập số liệu thống kê từ Tổng cục Thống kê giai đoạn 2000-2010, báo cáo kiểm kê phát thải của Bộ Tài nguyên và Môi trường (MONRE 2010), cùng dữ liệu thực nghiệm trên hơn 106.000 công trình khí sinh học do dự án MARD-SNV triển khai trên địa bàn 50 tỉnh thành cả nước.

Về phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích đại diện cho hai cấu trúc chăn nuôi chủ đạo tại Việt Nam: hộ gia đình chăn nuôi quy mô nhỏ (cỡ mẫu cố định 6 con lợn thịt) và trang trại chăn nuôi bán công nghiệp (cỡ mẫu 100 con lợn thịt). Cỡ mẫu này phản ánh chính xác phân bố kỹ thuật của hai mẫu hầm vòm nắp cố định phổ biến là hầm KT1 (thiết kế phù hợp với đặc thù khí hậu miền Bắc) và hầm KT2 (thiết kế tối ưu cho miền Nam).

Phương pháp phân tích định lượng kết hợp hài hòa giữa Hướng dẫn kiểm kê khí nhà kính quốc gia IPCC 2006 (Tập 4 về Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Sử dụng đất) và Phương pháp luận AMS-III.R (Phiên bản 02) của Công ước Khung Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC). Lý do lựa chọn mô hình kết hợp này là vì AMS-III.R cung cấp thuật toán chuẩn xác để tính toán lượng $CH_4$ thu hồi và thay thế nhiên liệu hóa thạch, trong khi hướng dẫn IPCC 2006 cho phép tính toán chuẩn xác lượng giảm phát thải $N_2O$ gián tiếp từ sự thất thoát hợp chất nitơ dễ bay hơi trong hệ thống quản lý phân.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng rõ ràng trên cả ba khía cạnh: hiệu quả xử lý môi trường, giá trị thay thế năng lượng và tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính:

1. Hiệu suất xử lý nước thải và diệt khuẩn vượt trội: Kết quả thử nghiệm tại các trạm hầm KT1 cho thấy hàm lượng $BOD_5$ giảm mạnh 99,36% từ 24.359 mg/l ở đầu vào xuống chỉ còn 156 mg/l ở đầu ra; chỉ số $COD$ giảm tương đương 99,30%. Chất lượng nước sau xử lý đạt giới hạn cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT về chất lượng nước mặt.
2. Giá trị năng lượng và thay thế chất đốt: Mỗi mét khối ($m^3$) biogas có giá trị nhiệt lượng tương đương 6,5 kWh (khoảng 5.200 kcal), tương đương với 0,65 lít dầu hỏa. Khi sử dụng trên bếp gas sinh học với hiệu suất đạt 60%, 1 $m^3$ biogas thay thế được 1,62 kg than củi, 4,83 kg củi khô đun bếp kiềng (hiệu suất chỉ 17%), hoặc 0,48 kg khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG).
3. Mức giảm phát thải khí nhà kính ấn tượng: Đối với quy mô hộ gia đình nuôi 6 con lợn sử dụng biogas để đun nấu thay thế than đá hoặc than bùn, lượng phát thải giảm từ 2,5 đến 4,2 tấn CO2e/hộ/năm. Đối với trang trại quy mô 100 con lợn ứng dụng biogas phát điện, hệ thống sản xuất hàng nghìn kWh điện sạch và cắt giảm từ 40 đến hơn 70 tấn CO2e/năm từ việc tiêu hủy mê-tan và thay thế điện lưới quốc gia.
4. Hiệu quả kinh tế - nông nghiệp từ phụ phẩm bio-slurry: Khoảng 62% hộ dân trong dự án đã tái sử dụng nước thải sau ủ (bio-slurry) giàu dinh dưỡng ($N_{total}$ từ 170-2.240 mg/l, $P_2O_5$ từ 56-320 mg/l, $K_2O$ từ 100-434 mg/l). Việc bón bio-slurry giúp năng suất cây trồng tăng rõ rệt (khoai tây tăng 64,2%, rau màu tăng 20-30%, cây công nghiệp tăng 15-20%), mang lại lợi nhuận kinh tế gia tăng từ 10% đến 130% cho nông hộ so với việc chỉ dùng phân hóa học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự suy giảm phát thải vượt trội bắt nguồn từ việc công nghệ hầm vòm kín KT1/KT2 đã thu giữ toàn bộ lượng $CH_4$ sinh ra trong quá trình ủ kỵ khí, chuyển hóa thành $CO_2$ qua quá trình đốt cháy hoàn toàn ở đầu đốt. Hơn nữa, cấu trúc kín khí tuyệt đối giúp giảm thiểu sự bay hơi của các hợp chất amoniac ($NH_4^+$), từ đó triệt tiêu nguồn hình thành $N_2O$ gián tiếp trong khí quyển.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế trong cùng lĩnh vực quản lý chất thải nông nghiệp, kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích với các mô hình kiểm định CDM của UNFCCC tại khu vực Đông Nam Á. Tuy nhiên, điểm độc đáo của nghiên cứu là đã chứng minh được lợi ích kép: không chỉ giảm phát thải tại nguồn quản lý phân (manure management) mà còn tạo ra chuỗi giá trị giảm phát thải thứ cấp thông qua việc thay thế than tổ ong, củi đốt và phân bón vô cơ. Trong các biểu đồ phân tích cân bằng carbon của luận văn (như Chart 1 và Chart 4), đường cong phát thải cho thấy xu hướng giảm sâu tương ứng với quy mô đàn gia súc, chứng minh tính khả thi của việc thương mại hóa tín chỉ carbon từ các trang trại chăn nuôi tập trung.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng phát thải và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính chiến lược:

1. Chuẩn hóa và nhân rộng công nghệ hầm vòm cố định KT1 và KT2: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp cùng Sở Nông nghiệp các địa phương ban hành quy chuẩn thiết kế thống nhất, đặt mục tiêu đến năm 2025 đạt 100% cơ sở chăn nuôi quy mô từ 10 con lợn trở lên tại khu vực nông thôn phải lắp đặt hệ thống hầm biogas đạt chuẩn kỹ thuật.
2. Thúc đẩy cơ chế đồng phát điện từ biogas tại các trang trại tập trung: Bộ Công Thương và Tập đoàn Điện lực Việt Nam cần xây dựng khung giá mua điện sinh học (FIT) và cơ chế bù trừ điện năng, hỗ trợ kỹ thuật chuyển đổi động cơ nổ sang chạy bằng khí sinh học cho 100% trang trại quy mô trên 500 con lợn giai đoạn 2026-2030, giúp giảm tải tiêu thụ điện lưới quốc gia ít nhất 15-20% tại các vùng chăn nuôi trọng điểm.
3. Ban hành hướng dẫn kỹ thuật ủ phân compost từ bio-slurry: Trung tâm Khuyến nông Quốc gia cần triển khai quy trình phối trộn phụ phẩm bio-slurry với 2-5% lân đơn ($CaSO_4$) và phế phẩm nông nghiệp nhằm cố định nitơ dạng $(NH_4)_2SO_4$, loại bỏ triệt để mầm bệnh ký sinh trùng, hướng tới thay thế từ 30% đến 50% lượng phân bón vô cơ tại các vùng chuyên canh rau màu và cây ăn trái.
4. Thương mại hóa chứng chỉ giảm phát thải carbon (CERs): Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng các tổ chức tài chính xanh cần hoàn thiện hồ sơ đăng ký dự án theo cơ chế thị trường carbon quốc tế (Điều 6 Thỏa thuận Paris), nhằm thu hút nguồn vốn tài trợ quốc tế từ 10 đến 20 triệu USD trước năm 2028 để hỗ trợ chi phí xây dựng hầm cho các hộ nông dân nghèo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình nghiên cứu này đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Bộ Tài nguyên & Môi trường): Cung cấp hệ số phát thải thực nghiệm, cơ sở dữ liệu định lượng và mô hình tính toán chuẩn xác phục vụ việc xây dựng Đóng góp do quốc gia tự quyết định (NDC) và quy hoạch môi trường chăn nuôi.
2. Kỹ sư công nghệ môi trường và chuyên gia năng lượng tái tạo: Cung cấp thông số vận hành chi tiết về động học phân hủy kỵ khí, bản vẽ kết cấu hầm vòm nắp cố định KT1/KT2, hệ thống đầu đốt và kỹ thuật chuyển đổi động cơ đốt trong sang sử dụng biogas.
3. Chủ trang trại và doanh nghiệp chăn nuôi gia súc: Tham khảo mô hình phân tích bài toán kinh tế - kỹ thuật, phương pháp thu hồi vốn từ việc cắt giảm chi phí tiền điện, chất đốt đun nấu và phân bón nông nghiệp.
4. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Môi trường: Tài liệu học thuật chuẩn mực kết hợp phương pháp luận IPCC 2006 và UNFCCC AMS-III.R để thực hiện các nghiên cứu đánh giá vòng đời (LCA) và kiểm kê carbon.

Câu hỏi thường gặp

Hầm biogas KT1 và KT2 có điểm gì khác nhau trong cấu trúc và ứng dụng thực tế?
Hầm KT1 được thiết kế chuyên biệt cho điều kiện khí hậu miền Bắc có mùa đông lạnh, sử dụng vòm cầu chìm dưới lòng đất với kết cấu gạch nghiêng chịu lực giúp bảo ôn nhiệt độ ủ kỵ khí. Trong khi đó, mẫu KT2 được tối ưu hóa cho điều kiện nhiệt đới miền Nam, cấu trúc đơn giản hơn giúp tiết kiệm vật liệu xây dựng cục bộ và tận dụng nền nhiệt độ cao quanh năm để đẩy nhanh quá trình sinh khí.

Tại sao việc đốt biogas lại giúp giảm thiểu hiệu ứng nhà kính khi vẫn sinh ra khí $CO_2$?
Bởi vì khí $CO_2$ sinh ra từ quá trình đốt biogas có nguồn gốc sinh học từ thức ăn gia súc (chu trình carbon ngắn), được xem là phát thải ròng bằng 0. Nếu không đốt, khí $CH_4$ tự do sẽ phát tán vào khí quyển với tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao gấp 21 đến 25 lần so với $CO_2$, khiến hiệu ứng nhà kính nghiêm trọng hơn gấp nhiều lần.

Nước thải bio-slurry sau hầm ủ có an toàn để tưới trực tiếp cho cây trồng không?
Nước thải bio-slurry đáp ứng các quy chuẩn quốc gia về tưới tiêu nông nghiệp với hàm lượng kim loại nặng rất thấp ($Cd < 0,01$ ppm; $Pb < 0,05$ ppm). Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn sinh học tuyệt đối và tránh thất thoát đạm, nghiên cứu khuyến nghị nên phối trộn 2-5% phân lân hoặc ủ compost cùng phế phẩm thực vật trước khi bón cho cây ăn quả và rau màu.

Một hộ gia đình chăn nuôi quy mô 6 con lợn có thể tiết kiệm bao nhiêu chi phí nhiên liệu?
Với đàn lợn 6 con, lượng phân thải hàng ngày đủ sản sinh khoảng 0,8 đến 1,2 $m^3$ biogas/ngày. Lượng khí này cung cấp 100% nhu cầu đun nấu gia đình hàng ngày, thay thế hoàn toàn khoảng 15-20 kg than tổ ong hoặc 1 bình gas LPG (12 kg) mỗi tháng, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sinh hoạt nông thôn.

Một trang trại nuôi 100 con lợn có thể tạo ra lượng điện sinh học như thế nào?
Trang trại 100 con lợn thải ra khoảng 200-250 kg phân tươi mỗi ngày, sản sinh từ 15 đến 20 $m^3$ biogas. Lượng khí này khi đưa vào máy phát điện khí sinh học có thể sản xuất khoảng 20 đến 35 kWh điện mỗi ngày, đủ vận hành toàn bộ hệ thống quạt thông gió, máy bơm nước làm mát chuồng và thắp sáng trang trại.

Kết luận

1. Khẳng định giải pháp: Công nghệ hầm ủ kỵ khí biogas vòm cố định KT1/KT2 là giải pháp kỹ thuật tối ưu giải quyết đồng thời bài toán ô nhiễm chất thải chăn nuôi và khủng hoảng năng lượng nông thôn tại Việt Nam.
2. Hiệu quả môi trường thực tế: Hệ thống xử lý triệt để trên 99% hàm lượng $BOD_5$ và $COD$, đưa nước thải đạt chuẩn xả thải môi trường và cắt giảm hàng triệu tấn CO2e trên phạm vi toàn quốc.
3. Giá trị kinh tế gia tăng: Tận dụng tối đa nguồn năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu hóa thạch và cung cấp phân bón sinh học bio-slurry giúp nâng cao năng suất cây trồng từ 15% đến 64%.
4. Đóng góp học thuật cốt lõi: Luận văn đã thiết lập bộ công cụ và phương pháp luận định lượng cân bằng phát thải khí nhà kính chuẩn mực, tích hợp hài hòa giữa hướng dẫn IPCC 2006 và cơ chế AMS-III.R của UNFCCC.
5. Định hướng tương lai: Cần sớm thúc đẩy việc đăng ký tín chỉ carbon quốc tế và hoàn thiện chính sách mua điện sinh học nối lưới trước năm 2030, biến ngành chăn nuôi thành một mắt xích quan trọng trong nền kinh tế tuần hoàn và phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) của Việt Nam.

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 TIEU LUAN MOI download : [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. TIEU LUAN MOI download : [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. TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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. Expressions of the climate change include temperature change in global scale, sea level rise, precipitation change and the increase of extreme weather events [IPCC, 2008]. 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.