Luận văn Nghiên cứu giải pháp thu hồi năng lượng từ chất thải làng nghề chế biến nông sản sen chiểu, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà nội bằng công nghệ khí sinh học

để tính sản lượng KSH lý thuyết cho các nguyên liệu hữu cơ. Các nguyên liệu phổ biến để lên men KSH là khác biệt, nhưng đều có những thành phần chủ yếu: Gluxit, protit và lipit. Vì vậy, sản lượng khí metan lý thuyết từ 3 chất này theo bảng sau: Bảng 2.3: Sản lượng khí metan lý thuyết từ 1 gam gluxit, protit và lipit (theo khối lượng khô)[5] Sản lượng khí (lít) Thành phần Metan Gluxit 0,37 Protit 0,49 Lipit 1,04 Sản lượng khí metan lý thuyết cho từng loại nguyên liệu có thể được tính theo công thức sau: E = 0,37A + 0,49B + 1,04C Trong đó: A: Khối lượng gluxit trong 1 gam nhiên liệu (g) B: Khối lượng protit trong 1 gam nhiên liệu (g) C: Khối lượng lipit trong 1 gam nhiên liệu (g) Từ đây, ta có thể tính sản lượng khí metan lý thuyết của chất thải từ chăn nuôi lợn theo bảng sau: Bảng 2.4: Sản lượng khí metan lý thuyết từ chất thải của lợn[5] Sản lượng Nguyên liệu Thành phần trong 1 gam chất khô (g) Sản lượng khí metan lý thuyết (lít/g chất khô) Gluxit Protit Lipit Metan 46 Chất thải của lợn 0,4204 0,1148 0,0603 0,2745 Với tỷ lệ chất khô trong 1kg phân lợn là 33%[13] từ đây, ta tính toán được hệ số sinh khí metan từ phân lợn sẽ bằng: 0,2745m3/kg * 33% = 0,090585 m3/kg phân lợn tươi. Như vậy, ta chọn hệ số 0,090585 m3/kg là hệ số sinh khí từ phân lợn dùng để tính toán tiềm năng sinh khí của phân lợn trong khuôn khổ luận văn này. 47 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm của nguồn chất thải làng nghề và hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học của làng nghề 3.1.1. Đặc điểm của nguồn chất thải làng nghề Căn cứ vào đánh giá hiện trạng ô nhiễm môi trường nước và không khí ở các phần trên, cho thấy rằng tình trạng ô nhiễm nước là nghiêm trọng và có tác động đáng kể nhất đến môi trường chung của làng nghề và phù hợp với tính chất của làng nghề chế biến NSTP. Trong quá trình chế biến NSTP thải ra hai nguồn chất thải gồm: Nước thải và bã thải. Tuy nhiên, một phần nước thải và toàn bộ bã thải chế biến đậu phụ được tận dụng làm thức ăn chăn nuôi lợn. Vì vậy, nguồn ô nhiễm chủ yếu từ sản xuất của làng nghề từ hai nguồn đó là: Nước thải chế biến NSTP và chất thải từ chăn nuôi lợn. Hai nguồn chất thải này có hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ phân huỷ do vậy nếu không được xử lý sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng, cộng thêm tù đọng nước thải gây phân huỷ yếm khí tạo mùi hôi thối rất khó chịu. Nguồn chất thải của làng nghề từ hai nguồn trên được trình bày cụ thể như sau: - Nước thải từ quá trình sản xuất bún có hàm lượng COD cao trên 5000mg/l (trừ lượng chất thải, nước thải từ sản xuất đậu được tận dụng làm thức ăn chăn nuôi sẽ không đưa vào thống kê). Lượng nước thải sản xuất bún: 8,5 m3/tấn sản phẩm(theo bảng 1.1), sản xuất đậu phụ: 1,52 m3/tấn sản phẩm(theo bảng 1.3). Như vậy, như đã thống kê ở phần 1.3.3: Đối tượng 1: Sản xuất bún: 1,7m3/ngày; Sản xuất đậu: 0,076m3/ngày. Với đối tượng 2: Sản xuất bún: 2,55m3/ngày; Sản xuất đậu: 0,152m3/ngày. - Chất thải từ chăn nuôi: Trung bình 10 con lợn/hộ sản xuất, lượng chất thải 2,25kg/con/ngày[10]. 48 Bảng 3.1: Thống kê số lượng nước thải sản xuất chế biến nông sản thực phẩm của làng nghề Sen Chiểu theo ngày Ghi chú: “ - ”: Không tính toán Bảng 3.2: Thống kê lượng chất thải từ chăn nuôi lợn trong làng nghề Sen Chiểu theo ngày: Tổng lượng chất thải gồm: Tổng lượng nước thải (trừ lượng nước thải sản xuất đậu phụ): 441,15m3/ngày, chất thải từ chăn nuôi lợn 4027,5kg/ngày. Hỗn hợp chất thải này rất giàu chất hữu cơ và hoàn toàn có thể dùng để xử lý bằng hệ thống Đối tượng 1 Đối tượng 2 Sản xuất bún Sản xuất đậu phụ Sản xuất bún Sản xuất đậu phụ Số hộ sản xuất 15 3 163 16 Lượng thải/hộ 1,7m3 0,076m3 2,55m3 0,152m3 Nước thải 25,5m3 0,228m3 415,65m3 2,432m3 Tỷ lệ % lượng nước thải 5,78% - 94,22% - Tổng lượng nước thải 441,15m3/ngày 161.020 m3/năm Đối tượng 1 Đối tượng 2 Số hộ sản xuất 8 179 Số con lợn 0 1790 Hệ số chất thải 0 2,25kg/con Lượng chất thải 0 4027,5kg Tổng lượng chất thải thu được 4027,5kg/ngày 1.470.038 kg/năm 49 bể biogas quy mô hộ gia đình. Như vậy, lượng nước thải từ quá trình sản xuất chế biến NSTP của làng nghề trong một năm khoảng 161.020 m3/năm, lượng chất thải thu được từ quá trình chăn nuôi lợn là khoảng 1.470.038 kg/năm. 3.1.2. Hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học của làng nghề Như đã đề cập ở phần 3, chương I, việc ứng dụng công nghệ KSH là khá giản đơn gồm hai dạng thiết bị sử dụng chính: Sử dụng vật liệu gạch với thiết bị KSH nắp cố định và bể vật liệu composite. Trong đó, kỹ thuật thi công bể biogas bằng gạch hoàn toàn do các thợ địa phương thi công nên có nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật xây dựng cũng như không đúng theo thiết kế. Vì thế, dạng bể này mặc dù được các cấp chính quyền hỗ trợ một phần về mặt tài chính nhưng tỉ lệ sử dụng được và sinh KSH chiếm tỷ lệ không cao vào khoảng 50% số bể khảo sát có khả năng sinh KSH, số còn lại không hoạt động do bị lún, nứt bể, thi công không đúng thiết kế[11]. Hiện nay, dạng bể composite được lắp đặt và sử dụng nhiều tại làng nghề, bước đầu trong vài năm trở lại đây, cho thấy hiệu quả hơn với bể xây do thi công đơn giản hơn, khả năng sinh khí và hoạt động hiệu quả đều đạt 100% số bể lắp đặt, có chế độ lắp đặt, bảo hành tận nơi do doanh nghiệp cung ứng cung cấp. Theo khảo sát trên quy mô làng nghề, số lượng hộ gia đình sản xuất chế biến NSTP ứng dụng công nghệ KSH chiếm khoảng 40% tổng số hộ làm nghề. Như vậy tiềm năng khai thác KSH từ các nguồn chất thải làng nghề còn rất lớn( >60% tiềm năng chưa khai thác). Mục đích sử dụng KSH và các phế thải (bùn thải, nước thải) từ quá trình sử dụng công nghệ KSH hiện nay như sau: * Đun nấu gia đình, công đoạn sản xuất thực phẩm: - Đun nấu gia đình: Theo Hoàng Kim Giao, 2011, lượng KSH sử dụng trong hộ gia đình gồm 4 người có mức sử dụng nhiên liệu KSH trong nấu ăn vào khoảng 480 lít KSH trong một giờ[2]. Lượng này có thể thay đổi tuỳ theo nhu cầu sử dụng, cũng như tuỳ theo các ngày cũng có sự khác biệt. Vì thế, trong tính toán xin chọn thông số 500 lít 50 (tương đương 0,5m3) KSH trong một ngày cho một hộ gia đình. Nhiệt trị của KSH vào khoảng 22MJ/m3[13]. Thống kê mức năng lượng sử dụng đun nấu trong một ngày trên quy mô số hộ điều tra như sau: 0,5(m3/ngày) x 22(MJ) x 197(hộ) = 1969 MJ/ngày - Công đoạn sản xuất thực phẩm: Hiện nay, một số hộ dân tại làng nghề có sử dụng công nghệ KSH vào đun nấu trong chế biến NSTP, năng lượng từ KSH cung cấp giảm thiếu việc sử dụng than trong chế biến NSTP góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm không khí và chất thải rắn. Theo quy trình chế biến NSTP đã nêu ở phần 1: Sản xuất bún tiêu thụ 0,12 tấn than/tấn sản phẩm(theo bảng 1.3); sản xuất đậu tiêu thụ 0,078 tấn than/tấn sản phẩm(theo bảng 1.5). Bảng 3.3: Nhiên liệu than sử dụng trong sản xuất chế biến NSTP làng nghề Sen Chiểu Đối tượng 1 Đối tượng 2 Sản xuất bún Sản xuất đậu phụ Sản xuất bún Sản xuất đậu phụ Số hộ sản xuất 15 3 163 16 Sản phẩm (kg/ngày) 200 50 300 100 Nhiên liệu than tiêu thụ (kg/ngày/lượng sản phẩm) 24 3,9 36 7,8 Lượng nhiên liệu than tiêu thụ (kg/ngày) 360 11,7 5868 124,8 Tổng lượng nhiên liệu than tiêu thụ (kg/ngày) 6364,5 51 Giả sử toàn bộ các hộ sản xuất thực phẩm sử dụng nhiên liệu KSH để thay thế nhiên liệu than sử dụng trong sản xuất chế biến NSTP (thực tế phần lớn các hộ có sử dụng biogas đã không còn sử dụng than trong quá trình sản xuất mà thay vào đó là kết hợp sử dụng KSH với nhiên liệu khí hoá lỏng hoặc điện năng), ta có so sánh như sau: Bảng 3.4: So sánh năng lượng từ hai dạng nhiên liệu sử dụng chủ yếu trong làng nghề Sen Chiểu Nhiên liệu sử dụng Nhiệt trị Quy đổi Tổng nhiên liệu Năng lượng cung cấp Than cám 7c 3150cal/kg 13,18MJ/kg* 6364,5 kg 83881,56MJ Nhiên liệu KSH 22MJ/m3 22MJ/m3 3812,8m3 83881,56MJ Khí metan 36MJ/m3 36MJ/m3 2330,04m3 83881,56MJ *Ghi chú: 1cal = 4,184J Nếu quá trình sản xuất chế biến NSTP trong làng nghề chỉ sử dụng than đá sẽ vào khoảng 6364,5kg trong một ngày. Trong khi đó, nhiên liệu KSH thu được từ thiết bị KSH đang áp dụng sẽ được các hộ dân sử dụng thay thế một phần nhiên liệu than trong sản xuất chế biến NSTP là một trong những biện pháp tốt và cần thiết làm giảm nguy cơ ô nhiễm không khí quy mô làng nghề, và góp phần giảm hoặc loại trừ lượng xỉ than và lượng khí thải trong quá trình sử dụng đồng thời làm giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường. - Chạy động cơ đốt trong và thắp sáng: Trong số các hộ gia đình trong làng nghề thuộc đối tượng nghiên cứu không sử dụng chạy động cơ đốt trong, có một số ít hộ gia đình sử dụng 1-2 bóng đèn KSH để thắp sáng ngoài sân còn hầu hết các hộ khác đều không sử dụng cho mục đích này. Nguyên nhân thứ nhất hiệu suất biến đổi từ KSH trực tiếp để thắp sáng là rất thấp (chỉ khoảng 35% năng lượng được chuyển đổi thành điện[13]). Thứ hai là thiếu nguyên liệu KSH để chạy động cơ sinh điện vì vậy lượng điện sinh ra không 52 đủ liên tục để các thiết bị điện hoạt động. Do đó, sử dụng KSH vào mục đích phát điện chỉ có thể khả thi khi áp dụng trên quy mô công nghiệp. * Sử dụng bùn thải, nước thải từ biogas làm phân bón trong nông nghiệp: Bùn thải, nước thải từ hệ thống biogas được người dân tận dụng làm phân bón sử dụng trong nông nghiệp. Dạng phân bón này có hàm lượng chất hữu cơ cao rất tốt, cải tiến đất, làm đất đai tơi xốp, giàu chất dinh dưỡng cho các loại cây trồng nông nghiệp, làm tăng lượng vi sinh vật có lợi trong đất. Mặt khác, quá trình này còn làm giảm lượng phân bón hoá học cần thiết sử dụng cho cây trồng, tiết kiệm được một phần chi phí sản xuất nông nghiệp. 3.2. Tính toán đánh giá tiềm năng của khí sinh học từ nguồn chất thải làng nghề Sen Chiểu 3.2.1. Tiềm năng khí sinh học thu được từ các dạng chất thải làng nghề Sen Chiểu Theo đánh giá tại mục 3.1.1, các nguồn chất thải của làng nghề có thể sản sinh ra khí sinh học thì có hai nguồn chủ yếu gồm: Nước thải sản xuất bún và chất thải từ chăn nuôi lợn. Vậy ta có thể tính toán tiềm năng khí sinh học từ các dạng chất thải này trong một ngày như sau: Bảng 3.5: Tiềm năng KSH từ chất thải làng nghề Sen Chiểu STT Danh mục Chất thải từ lợn Nước thải sản xuất 1 Lượng nhiên liệu 4027,5kg 441,15m3 2 Hệ số sinh metan 0,090585m3/kg 1,8305m3CH4/m3 nước thải 3 Lượng khí metan thu được 364,83m3 807,53m3 4 Tổng lượng khí metan thu được 1.172,36 m3/ngày 427.912 m3/năm 5 Nhiệt lượng của metan 36MJ/m3[17] 6 Tổng nhiệt lượng thu được 42204,82MJ/ngày 53 Nhận xét: Căn cứ vào số liệu tính toán thu được ở bảng 3.5 ta thấy nhiệt lượng thu được từ các nguồn chất thải bằng khoảng hơn một nửa (50,36%) nhu cầu năng lượng sử dụng trong chế biến NSTP của làng nghề trong một ngày (83811,56MJ/ngày). Do vậy, việc sử dụng năng lượng từ nhiên liệu KSH để phục vụ cho công đoạn sản xuất của làng nghề có thể thay thế một phần năng lượng sử dụng trong các công đoạn sản xuất, giảm việc sử dụng nhiên liệu than, giảm một nửa chi phí sử dụng nhiên liệu trong sản xuất. Như vậy, từ đây có thể thấy được hiệu quả về kinh tế cũng như môi trường từ việc sử dụng KSH làm nhiên liệu trong quá trình sản xuất của làng nghề. Trong một năm lượng khí metan có thể thu được từ các dạng chất thải làng nghề ước tính vào khảng 427.912 m3 khí metan cung cấp một lượng nhiệt năng vào khoảng 15.404.832MJ. 3.2.2. Năng lượng sử dụng trong một ngày của một hộ gia đình sản xuất bún điển hình làng nghề Sen Chiểu Thống kê mức năng lượng sử dụng và tiềm năng KSH của một hộ gia đình sản xuất bún điển hình của làng nghề Sen Chiểu theo ngày như sau: Bảng 3.6: So sánh mức năng lượng KSH thu được với nhu cầu năng lượng theo ngày của hộ gia đình chế biến NSTP Tiềm năng năng lượng KSH Năng lượng tiêu thụ Nước thải sản xuất bún Số lợn nuôi Năng lượng dùng trong sản xuất Năng lượng dùng đun nấu Chất thải 2,55m3 22,5kg 36kg than 0,5m3 KSH Hệ số 1,8305 0,090585 13,18 MJ/kg 22 MJ/m3 Sản lượng 4,67m3 CH4 2,04 m3 CH4 474,5 MJ 11 MJ Năng lượng 168,12 MJ 73,4 MJ 474,5 MJ 11 MJ Tổng 241,52 MJ 485,5 MJ So sánh 49,75% 100% 54 Việc tận dụng KSH từ thiết bị KSH của các hộ gia đình để thay thế khoảng một nửa nhu cầu năng lượng dùng trong sản xuất và đun nấu gia đình là một nguồn năng lượng sạch. Trong đó: Năng lượng dùng trong đun nấu chỉ chiếm khoảng 5% năng lượng tiềm năng từ các dạng chất thải; So sánh với năng lượng tiềm năng từ phân lợn thì chiếm khoảng 15%. Như vậy, nếu chỉ dùng KSH vào nhu cầu đun nấu sẽ rất thừa thãi. Dùng KSH tận dụng vào công đoạn sản xuất chế biến NSTP sẽ sử dụng hết được lượng KSH sinh ra và giảm thất thoát KSH. Việc thu hồi năng lượng từ chất thải góp phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường khu vực làng nghề và tạo ra nguồn nhiên liệu đốt tự chủ trong sản xuất và sinh hoạt. 3.3. Đánh giá hiệu quả về kinh tế, xã hội và môi trường của công nghệ khí sinh học trong việc xử lý chất thải làng nghề 3.3.1. Hiệu quả về kinh tế Khí sinh học cung cấp năng lượng sạch cho các hoạt động như đun nấu và thắp sáng. Trước khi có công trình khí sinh học, hầu hết các hộ gia đình sử dụng loại nhiên liệu phổ biến như: Điện, củi, rơm, rạ, trấu, cành cây khô, than và khí hóa lỏng. Sau khi các hộ gia đình này xây dựng công trình khí sinh học, việc sử dụng các loại nhiên liệu thường dùng có sự thay đổi khá rõ rệt. Các hộ gia đình hiện nay có áp dụng công nghệ KSH thường tự chủ được nguồn nhiên liệu vì thế nên ngoài việc sử dụng KSH trong đun nấu, sản xuất họ còn sử dụng thêm khí hóa lỏng hoặc dùng thêm điện để đun nấu. Với một mức tiềm năng lượng thu được từ các dạng chất thải ước tính trong một ngày là 241,52 MJ đối với một hộ gia đình sản xuất chế biến NSTP điển hình ta thấy lượng KSH thu được trong 1 ngày tương đương với các dạng năng lượng khác cụ thể như trong bảng 3.7 trong đó: Than cám bằng khoảng 18kg, khí hoá lỏng bằng khoảng 6m3, củi ép mùn cưa bằng khoảng 14kg, củi ép trấu bằng khoảng 21kg. 55 Bảng 3.7: So sánh các dạng nhiên liệu thông dụng được sử dụng đối với một hộ sản xuất điển hình STT Dạng nhiên liệu Năng lượng Nhiệt trị Khối lượng 1 KSH 241,52 MJ 22MJ/m3 10,98m3 2 Than cám 7c 241,52 MJ 13,18MJ/kg 18,32kg 3 Khí hoá lỏng LPG 241,52 MJ 40MJ/kg[27] 6,04m3 4 Củi ép mùn cưa 241,52 MJ 17,58MJ/kg[27] 13,74kg 5 Củi ép trấu 241,52 MJ 11,72MJ/kg[27] 20,61kg Việc sử dụng KSH trong một năm đối với hộ gia đình này có thể tương đương con số ước tính như sau: 18,32 (kg than) x 3.000 (đồng/kg)[28] x 365 (ngày) = 20.060.400 đồng Theo đánh giá tại phần 3.2.1, tiềm năng khí metan thu được từ các dạng chất thải làng nghề là: 427.912 m3 khí metan cung cấp một lượng nhiệt năng vào khoảng 15.404.832MJ. Như vậy, ta có thể tính toán được phần năng lượng KSH theo ngày đem lại sẽ là: Tổng nhiệt lượng KSH thu được/13,18MJ/kg(nhiệt trị của than) sẽ là số lượng than có thể thay thế: 15.404.832MJ : 13,18MJ/kg = 1.168.804 (kg than/năm) Căn cứ vào quy trình sản xuất bún đã được nêu tại phần 1.1.1. thì lượng xỉ than sau sử dụng bằng khoảng 10% lượng than đốt. Vậy lượng KSH được sử dụng thay thế than trong quá trình đốt sẽ giảm đi một lượng xỉ than khoảng 117 tấn/năm. Như vậy, việc áp dụng công nghệ KSH và thu KSH làm năng lượng sử dụng có thể đem lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế cũng như môi trường, thay thế được một phần nhiên liệu than sử dụng trong sản xuất và giảm lượng xỉ than thải ra hàng năm lên tới 117 tấn. 3.3.2. Hiệu quả về xã hội và môi trường - Tự chủ được nguồn nhiên liệu 56 Với nguồn nhiên liệu tự chủ có sẵn từ hệ thống KSH được lắp đặt, các hộ dân sẽ chủ động được trong việc sử dụng nhiên liệu, tiết kiệm thời gian và công sức trong việc tìm kiếm nhiên liệu khác để phục vụ đun nấu, sản xuất. - Nguồn nhiên liệu đun nấu có nhiệt trị trung bình cao(22MJ) So với các loại nhiên liệu truyền thống được sử dụng như: Rơm rạ, gỗ củi, trấu, than cám,... KSH có nhiệt trị trung bình cao hơn và ổn định hơn các loại nhiên liệu truyền thống. Việc sử dụng nhiên liệu KSH để đun đốt có lợi ích trong tiết kiệm được thời gian, công sức trong đun nấu. - Hệ thống KSH được kết hợp với chuồng trại, nơi sản xuất Việc xây dựng hệ thống KSH hộ gia đình được kết hợp với nâng cấp chuồng trại chăn nuôi, thu hồi nước thải sản xuất chế biến NSTP, nhà vệ sinh,... Việc này tạo ra môi trường tiện nghi hơn, sạch sẽ hơn cho các hộ gia đình vùng nông thôn, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống người dân. Nếu chất thải làng nghề không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường đặc biệt đối với môi trường nước mặt và nước ngầm bị ảnh hưởng nghiêm trọng nhất. Vì đặc tính của chất thải làng nghề chế biến NSTP có hàm lượng chất hữu cơ cao gây ra hiện tượng phú dưỡng môi trường nước, trong đó xảy ra hiện tượng phân huỷ yếm khí tại nơi nước thải tù đọng gây mùi hôi thối khó chịu. Môi trường nước chứa hàm lượng vi sinh vật, giun sán và coliform gấp nhiều lần mức cho phép, tiềm ẩn nguy cơ cao các bệnh đường ruột và ký sinh trùng. Mặt khác, chất hữu cơ trong nước bị phân huỷ sinh ra amoni cao thẩm thấu vào trong nước ngầm, khi nước ngầm tiếp xúc với không khí amoni trong nước sẽ kết hợp với oxi có trong không khí sinh ra nitrat (NO2-) và nitrit (NO3-). Vì thế nước sinh hoạt sẽ bị nhiễm nhiều nitrit. Khi chất này được hấp thụ vào cơ thể (qua ăn uống), nó sẽ làm giảm khả năng chuyên chở oxi của hồng cầu (do nitrit kết hợp với hemoglobin trong máu), gây bệnh da xanh tái, thiếu máu, suy giảm sức khoẻ. Nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ em dưới 06 tháng tuổi, có thể làm trẻ chậm lớn, gây các bệnh về đường hô hấp. 57 Trường hợp chất thải làng nghề chế biến NSTP được xử lý sẽ mang lại những lợi ích về môi trường như sau: - Giảm thiểu ô nhiễm gây ra từ nước thải và chất thải chăn nuôi. - Không gây các mùi hôi thối do quá trình phân huỷ yếm khí, đảm bảo vệ sinh môi trường nông thôn. - Nơi sản xuất chế biến NSTP, chuồng trại chăn nuôi sạch sẽ, hợp vệ sinh môi trường khu dân cư nông thôn, đảm bảo sức khỏe và phòng tránh các bênh truyền nhiễm. - Giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch, giảm chi phí trong sản xuất chế biến NSTP, tận dụng nguồn năng lượng tái tạo sản sinh từ chất thải. 3.4. Đề xuất, kiến nghị về mô hình khí sinh học và giải pháp triển khai thực hiện trong quá trình xử lý nước thải làng nghề * Những tồn tại, hạn chế của mô hình khí sinh học hiện đang áp dụng tại làng nghề Sen Chiểu - Quá trình phát triển của làng nghề có xu hướng mở rộng cả về quy mô và số lượng sản phẩm tạo ra. Những hộ mới tham gia sản xuất có xu hướng đổi mới máy móc, thiết bị sản xuất để tăng hiệu quả, tăng sản lượng và giảm các công đoạn làm thủ công. Việc kết hợp sản xuất với chăn nuôi là một giải pháp trước mắt đối với mô hình sản xuất nhỏ lẻ này vì mục đích tận dụng phế phẩm trong chế biến NSTP làm thức ăn chăn nuôi. Đây không phải là một mô hình sản xuất về lâu dài vì lượng chất thải và nước thải sản sinh ra rất khó kiểm soát và thu hồi vào một hệ thống chung và việc tiến hành đầu tư vào một hệ thống xử lý chất thải chung cho quy mô rộng lớn và phân tán như vậy của làng nghề là một giải pháp không khả thi. - Việc sản xuất nhỏ lẻ, quy mô hộ gia đình, tận dụng nơi ở làm nơi sản xuất không chỉ gây ảnh hưởng đến hộ sản xuất mà tác động tới khu vực dân cư lân cận. Và rất khó có thể tiếp cận được với việc đổi mới công nghệ sản xuất hay áp dụng công nghệ xử lý chất thải tiên tiến, triệt để đối với các hộ sản xuất trong làng nghề. 58 - Ứng dụng công nghệ KSH hiện nay trong các hộ gia đình sản xuất chế biến NSTP chưa thực sự đồng bộ từ các cấp hay được quan tâm đúng mức đối với hiện trạng sản xuất của làng nghề Sen Chiểu hiện nay. Thứ nhất, đối với công nghệ KSH áp dụng có nhiều mô hình công nghệ KSH được áp dụng với công nghệ thi công khác biệt. Thứ hai, việc hỗ trợ xây dựng thiết bị, hầm KSH chưa được các cấp quan tâm đúng mức, nhiều chương trình được triển khai áp dụng nhưng không có một đầu mối chung, hoặc chưa được các hộ dân biết đến. Thứ ba, công nghệ thi công tại chỗ còn hạn chế dẫn đến thiết bị KSH không hoạt động được. Thứ tư, việc áp dụng công nghệ KSH đều do hộ gia đình tự tìm hiểu, hoặc học theo hộ gia đình khác đã ứng dụng. - Sản phẩm KSH được các hộ sử dụng, thu hồi còn chưa hiệu quả. Điển hình có các hộ sản xuất, đun nấu không sử dụng hết do sản xuất không liên tục, chưa có thiết bị tích trữ, hoặc dự trữ KSH. Một số chưa có thiết bị lọc khử mùi, chưa có áp kế theo dõi, không sử dụng KSH để thắp sáng. Một số chưa sử dụng KSH vào công đoạn sản xuất chế biến NSTP do chưa bố trí tiện lợi hoặc do sử dụng đun lâu dài áp suất khí không đáp ứng đủ. - Việc thất thoát, rò rỉ khí metan từ các thiết bị KSH tuy không lớn nhưng góp phần vào quá trình ấm lên của trái đất. Nếu so sánh hiệu suất gây ấm bầu khí quyển của trái đất thì khí metan gây ra hiệu ứng nhà kính cao gấp 21 lần so với khí cacbonic[25]. Vì vậy, chúng ta cũng rất cần quan tâm và kiểm soát vấn đề này, giảm mức thấp nhất khả năng rò rỉ khí metan từ các thiết bị KSH. * Đề xuất, kiến nghị - Hỗ trợ về kinh phí xây dựng và kỹ thuật đối với các hộ gia đình áp dụng công nghệ biogas Chính quyền địa phương cần xây dựng phương án hỗ trợ ban đầu về kinh phí hoặc vay vốn ưu đãi để xây dựng, lắp đặt thiết bị KSH đối với các hộ gia đình có nhu cầu ở làng nghề. Giới thiệu kỹ thuật viên, hoặc công ty có uy tín trong lĩnh vực thiết bị KSH để tư vấn, hướng dẫn trong quá trình triển khai thực hiện và đi vào sử 59 dụng. Để nhằm mục tiêu toàn bộ các hộ sản xuất chế biến NSTP của làng nghề đều ứng dụng công nghệ KSH. Giúp người dân hiểu rõ về những lợi ích của KSH đem lại, hiểu rõ, vận hành và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng KSH như: Giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần làm sạch môi trường; Tiết kiệm và hạn chế được việc sử dụng các dạng năng lượng hoá thạch từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng thêm lợi nhuận; Tận dụng phế thải từ biogas làm phân bón hữu cơ trong nông nghiệp hoặc kết hợp mô hình VAC; Hướng dẫn cách thức giúp người dân sử dụng hiệu quả năng lượng trong đun nấu và thắp sáng tránh thất thoát, hao phí KSH. - Giải pháp quy hoạch, sản xuất tập trung theo quy hoạch chung Mục tiêu: Giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường làng nghề và tiến tới không còn đối tượng sản xuất chế biến NSTP trong khu dân cư tập trung; Nhằm tạo ra khu sản xuất hàng hoá tập trung đáp ứng các yêu cầu về an toàn thực phẩm, bảo vệ môi trường; Xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung để xử lý nước thải sản sinh trong quá trình sản xuất, tận dụng KSH tái sản xuất; Là biện pháp quản lý môi trường có hiệu quả và đảm bảo mục tiêu phát triển bền vững và xây dựng nông thôn mới trong giai đoạn hiện nay. Phát triển khu sản xuất tập trung với ngành nghề hiện có gắn với chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông thôn do quy hoạch sản xuất tập trung sẽ lấy đi một phần đất sản xuất nông nghiệp dẫn đến thiếu việc làm và thiếu đất sản xuất. Lực lượng lao động này sẽ chuyển sang làm các ngành nghề khác và một phần sẽ phục vụ trong ngành sản xuất chế biến NSTP của làng nghề. Từ đó góp phần tạo công việc, có thu nhập ổn định tại chỗ đối với người dân địa phương, gắn với chương trình xây dựng nông thôn mới. Ưu đãi đầu tư đối với các doanh nghiệp, hộ gia đình sản xuất chế biến NSTP có công nghệ tiên tiến, tạo ra khối lượng sản phẩm lớn và sản xuất sạch hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn. 60 Đảm bảo khoảng cách theo quy định đối với các khu đô thị, khu dân cư tập trung (ít nhất 500m); Áp dụng hệ thống xử lý nước thải kỵ khí để thu hồi khí metan dùng để tái sản xuất; Xây dựng kế hoạch đưa các hộ gia đình sản xuất ra khỏi khu vực dân cư vào địa điểm đã được quy hoạch sản xuất. Tính khả thi của giải pháp sản xuất theo quy mô tập trung: + Được quy hoạch vùng sản xuất tập trung có trong quy hoạch Nông thôn mới của xã Sen Chiểu và phù hợp với quy hoạch phát triển chung của huyện Phúc Thọ và quy hoạch phát triển cụm công nghiệp làng nghề trên địa bàn thành phố Hà Nội. + Phù hợp với yêu cầu ngày càng cao trong việc bảo vệ môi trường trong chế biến NSTP, đảm bảo mục tiêu phát triển bền vững và sản xuất hàng hóa tập trung. + Phù hợp với yêu cầu hội nhập quốc tế và phát triển sản phẩm hàng hóa có chứng nhận nguồn gốc sản phẩm, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và bảo vệ môi trường, đảm bảo yêu cầu xuất khẩu. + Công nghệ KSH đã được áp dụng và kiểm chứng tại Việt Nam vừa giải quyết được nguồn chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, vừa tạo ra nguồn năng lượng đáp ứng một phần đáng kể nhu cầu năng lượng trong sản xuất. - Đề xuất quy trình xử lý nước thải tập trung cho khu chế biến NSTP Sơ đồ quy trình XLNT và khái toán diện tích xây dựng hệ thống XLNT tập trung được trình bày như sau: 61 Hình 3.1: Đề xuất quy trình xử lý nước thải chế biến NSTP quy mô tập trung Song chắn rác (giỏ rác) Nước thải sản xuất được chảy qua song chắn rác để loại bỏ dị vật có kích thước lớn lẫn vào nước thải. Vì những dị vật này có thể cản trở quá trình xử lý nước thải(XLNT) hoặc làm hỏng máy bơm. Vì vậy, lượng rác thải này sẽ được thu gom và được tập trung vào nơi quy định. Bảng 3.8: Các thông số đầu vào của nước thải TT Thông số Đơn vị Nước thải trước xử lý QCVN 40:2011/BTNMT Loại B1 1 SS mg/l 301 100 2 BOD5 mg/l 2371 150 Song chắn rác Nước thải Bùn Bể chứa bùn Bể điều hòa Cấp khí Khí sinh học Bể UASB Bể hiếu khí Bể lắng Bể khử trùng Nguồn tiếp nhận Clo T ách n ư ớ c Làm phân bón 62 3 COD mg/l 5230 100 4 Lượng nước thải ngày đêm m3 450 5 Lượng nước thải theo giờ m3 18,75 6 Lượng nước thải theo giây m3 0,0052 Bể điều hòa Nước thải được thu gom từ nhiều nhà máy, phân xưởng sản xuất trong khu sản xuất qua song chắn rác được đưa vào bể điều hòa của XLNT. Nhờ quá trình khuấy trộn bằng khí cấp liên tục từ máy thổi khí, nước thải trong bể được điều hòa về lưu lượng và thành phần các chất ô nhiễm như COD, BOD, SS,....và được trộn đều với hóa chất điều chỉnh pH. Mặt khác, nước thải được cấp oxi liên tục làm tăng cường khả năng lên men hiếu khí, hạn chế quá trình lên men yếm khí, do đó tránh được mùi hôi thối và giảm COD, BOD trong nước thải. Sau khi qua bể điều hòa lượng BOD, COD giảm đáng kể, khoảng từ 5 – 10%. Cuối cùng, nước thải được bơm qua bể kị khí (UASB) bằng hệ thống bơm chìm. Bảng 3.9: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể điều hòa TT Thông số Nước thải đầu vào (mg/l) Hiệu suất xử lý Nước thải đầu ra (mg/l) 1 SS 301 50% 150,5 2 BOD5 2371 10% 2133,9 3 COD 5230 10% 4707 Thể tích bể điều hòa: V = Qtb.T.K Trong đó: Qtb : lưu lượng trung bình giờ, Qtb = 18,75 m3/h T: Thời gian lưu của nước thải trong bể, T = 9 h K: Hệ số tuần hoàn nước, K = 1,25 Vậy: V = 18,75 x 9 x 1,25 = 210,94 m3 Chọn kích thước xây dựng: D x R x H = 12 x 7 x 2,6 (m) 63 Diện tích mặt bằng xây dựng: D x R = 12 x 7 = 92 m2 Bể kị khí (UASB) Do tải lượng ô nhiễm hữu cơ đầu vào khá lớn, để giảm thiểu tiêu hao năng lượng cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí, giảm lượng bùn thải phải xử lý và giảm chi phí đầu tư cũng như giảm chi phí vận hành của hệ thống xử lý nước thải và tận thu được KSH từ quá trình XLNT. Tại bể kị khí (UASB), các vi sinh vật kỵ khí sẽ phân hủy phần lớn các chất ô nhiễm có trong nước thải. Mật độ bùn sinh học kỵ khí được duy trì ở nồng độ cao nhằm tăng cường khả năng phân hủy các chất ô nhiễm. Nước thải phân phối vào bể UASB theo hướng từ dưới lên trên thông qua dàn ống đục lỗ đặt dưới đáy có tác dụng khuấy trộn hỗn hợp nước thải - bùn kị khí trong bể và tách khí. Bảng 3.10: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể UASB TT Thông số Nước thải đầu vào (mg/l) Hiệu suất xử lý Nước thải đầu ra (mg/l) 1 SS 150,5 20% 120,4 2 BOD5 2133,9 68% 682,85 3 COD 4707 70% 1412 Lượng COD cần xử lý trong một ngày đêm là:G = Q x (CODV - CODR) Trong đó: Q: Lượng nước thải trong một ngày đêm CODV: Lượng COD trong nước thải đầu vào CODR: Lượng COD trong nước thải đầu ra Vậy: G = 450 x (4707 – 1412) x 10-3 = 1482,75 kg/ngàyđêm Thể tích phần phản ứng: orgorg RV n L G L CODCODQ V    )( Trong đó: Lorg: Tải trọng hữu cơ thể tích(kg COD/m3.ngày) 64 Chọn Lorg = 12 kg COD/m3.ngày (chọn theo bảng 12.1, Tính toán thiết kế các công trình XLNT, Trịnh Xuân Lai - 2009) Vậy: )(6,123 12 75,1482 3mVn  Diện tích thiết bị UASB:  h m h m v Q A 9.0 75,18 3 20,83 m2 trong đó v là vận tốc hướng dòng chọn v = 0,9 m/h. Chia làm 4 bể → diện tích mỗi bể = 20,83 ÷ 4 = 5,21(m2) Chọn thêm một bể dự phòng, tổng là 5 bể đơn nguyên. Bể dự phòng có tác dụng dự phòng trong các trường hợp hỏng hóc của một trong 4 nguyên đơn chính hoặc trường hợp nước thải đầu vào tăng đột biến trong quá trình vận hành xử lý. Chọn kính thước thiết bị UASB: Bể có dạng hình hộp chữ nhật có diện tích mặt bằng: 2,0 × 2,6 = 5,2 (m2) Diện tích mặt bằng mỗi bể: A1 = 5,2 m2 Chiều cao của vùng xử lý yếm khí: )(74,4 2,55 6,123 5 1 1 m xxA V H n  Tổng chiều cao của mỗi bể: H = H1 + H2 + H3 = 4,74 +1,2 + 0,3 = 6,24 (m) Trong đó : H2: Chiều cao vùng lắng, chọn H2 = 1,2m H3: Chiều cao dự trữ, chọn H3 = 0,3m Bể hiếu khí (Aerotank) Nước thải sau bể UASB sẽ tự chảy qua bể sinh học hiếu khí (Aeroten). Tại bể Aeroten, không khí được cấp vào liên tục nhằm cung cấp oxy cho quá trình phân huỷ sinh học hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ còn lại trong nước thải. Tại bể sẽ diễn ra quá trình sinh học hiếu khí được duy trì nhờ không khí cấp từ máy thổi khí và quá trình oxy hóa được xảy ra nhờ bùn hoạt tính lơ lửng. 65 Để vi sinh vật hoạt động và phát triển, đạt hiệu quả xử lý cao thì lượng oxy hòa tan trong nước ở bể sinh học phải đạt từ 4 – 6 mg/l. Tùy thuộc vào nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ của nước thải trong bể mà độ hòa tan của oxy trong nước có khác nhau. Cho nên trong quá trình vận hành phải thường xuyên kiểm tra bằng thiết bị đo DO để điều chỉnh và vận hành hệ thống cung cấp khí cho phù hợp và hiệu quả. Ngoài ra độ pH phải nằm trong khoảng từ 5,5 – 9,0 và tỷ lệ các chất dinh dưỡng BOD5 : N : P trong khoảng 100 : 5 : 1. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ của bể Aeroten đạt 90 – 95%. Nước thải sau bể Aeroten tự chảy qua bể lắng ly tâm để tách bùn ra khỏi nước thải trước khi chảy qua. Bảng 3.11: Các thông số cơ bản của nước thải trước và sau khi xử lý của bể Aeroten TT Thông số Nước thải đầu vào (mg/l) Hiệu suất xử lý Nước thải đầu ra (mg/l) 1 SS 120,4 10% 108,4 2 BOD5 682,85 93% <50 3 COD 1412 90% 141,2 Thể tích bể Aeroten theo công thức sau:        )1505,01(3000 )5085,682(155,0450 )1( )( cd tac KX LLYQ V   407 m3 Trong đó: Q: Lưu lượng nước thải trung bình ngày đêm, Q= 450m3/ngđ; Y: Hệ số sản lượng tế bào, Y = 0,5mgVSS/mgBOD θ: Thời gian lưu bùn trong bể Aeroten , θ = 15 ngày La: Hàm lượng BOD5 đi vào bể Aeroten, La = 682,85mg/l Lt : Hàm lượng BOD5 sau khi xử lý, Lt = 50 mg/l X: Nồng độ bùn hoạt tính trong bể Aeroten, X =3000 mg/l Kd : Hệ số phân hủy nội bào, Kd = 0,05 ngày-1 66 (Các thông số được lấy theo bảng 6.1: Giá trị điển hình của các thông số thiết kế bể aeroten, Tính toán thiết kế các công trình XLNT, Trịnh Xuân Lai – 2009) Tính thời gian lưu trong bể Aeroten:  75,18 407 tb hQ V t 21,7 giờ Chọn thể tích bể aeroten được xây dựng: V = 15,8 x 8,6 x 3,0 = 407 m3 Diện tích mặt bằng xây dựng: D x R = 15,8 x 8,6136 m3 Bể lắng li tâm Nước thải cùng với bùn hoạt tính từ bể Aeroten được chảy vào bể lắng li tâm, tại đây diễn ra quá trình tách giữa nước thải và bùn. Bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, nước thải phía trên chảy tràn sang bể tiếp xúc khử trùng. Hiệu suất lắng của bể: Thông số Nước thải đầu vào (mg/l) Hiệu suất xử lý Nước thải đầu ra (mg/l) SS 108,4 70% >33 Tính toán dung tích bể lắng: V = tbhQ x t = 18,75 x 2 = 37,5 m 3 Trong đó: tbhQ : Lưu lượng nước thải trung bình trong 1 giờ, Q = 18,75 m 3/h t: Thời gian lưu nước trong bể lắng, lấy t = 2 giờ Tỉ trọng bề mặt cho bể lắng: LA= 16,4 – 32,8 m3/m2.ngày Chọn LA= 16,4 m3/m2.ngày (theo bảng 9.1, Tính toán các công trình XLNT, Trịnh Xuân Lai) Diện tích bể lắng, tính theo tải trọng bề mặt : 67 244,27 4,16 450 m L Q S A ngày L  Đường kính bể:      14,3 44,2744  LSD 6m Bể khử trùng Sau các giai đoạn xử lý cơ học, sinh học song song với việc làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đạt tiêu chuẩn quy định thì số lượng vi trùng cũng giảm đáng kể đến 90 – 95%. Tuy nhiên, lượng vi trùng vẫn còn cao và theo nguyên tắc bảo vệ vệ sinh nguồn nước, cần thực hiện giai đoạn khử trùng nước thải. Ở bể khử trùng, với thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước, sẽ xảy ra quá trình diệt khuẩn. Nước thải sau xử lý đạt QCVN 40:2011- Loại B1. Thể tích của bể khử trùng:  tQV tbh 18,75 x  2 1 9,5 m3 Chọn thời gian lưu trong bể khử trùng: t = 0,5 giờ Chọn kích thước xây dựng bể: D x R x H = 3,2 x 2 x 1,5 = 9,6 m3 Diện tích xây dựng bể: D x R = 3,2 x 2 = 6,4 m2 Sân phơi bùn Bùn hoạt tính từ bể lắng một phần sẽ được hồi lưu về bể Aeroten và bể UASB để tăng cường hiệu quả xử lý sinh học. Phần bùn hoạt tính dư còn lại sẽ được bơm lên sân phơi bùn để làm khô và tách nước. Nước thu hồi tại sân phơi bùn được tuần hoàn về bể trung hoà để tiếp tục được xử lý. Bùn đã được làm khô (độ ẩm còn 87%) định kỳ được thu hồi để sử dụng làm phân bón vi sinh dùng trong nông nghiệp. Lượng bùn dư hằng ngày: Pr = 0,8 x B + 0,3 x La = 0,8 x 120,4 + 0,3 x 682,85 = 286,78 mg/l Trong đó: 68 B: Lượng chất hữu cơ lơ lửng trong nước thải đưa vào Aeroten, B = 120,4 mg/l La: Hàm lượng BOD5 đưa vào bể Aeroten, La = 682,85 mg/l Hàm lượng bùn hoạt tính dư lớn nhất: Pmax = k x Pr = 1,15 x 286,78 = 329,8 mg/l Trong đó: k - Hệ số không điều hòa của bùn hoạt tính dư, K = 1,15 – 1,2. + Lượng bùn dư lớn nhất:      10000 329,875,18max max C PQ q h tb 0,62 Trong đó: qnước: Lượng nước tách ra từ bùn, qnước= 90%xqmax= 90%x0,62 = 0,56 m3/ngày C: nồng độ bùn dư (10g/l) + Lượng cặn đưa về sân phơi bùn: qc = qmax – qnước = 0,62 – 0,56 = 0,06 m3/h = 1,44 m3/ngày Chọn thời gian 2 tháng xả bùn một lần. Vậy: V = 1,44 x 60 = 86,4 m3 Kích thước bể xây dựng: D x R x H = 8,5 x 5,5 x 1,85 Diện tích xây dựng bể: D x R = 8,5 x 5,5 = 46,75 m2 Bảng 3.12: Diện tích mặt bằng các công trình xử lý nước thải STT Loại bể Diện tích xây dựng Vật liệu xây dựng 1 Bể điều hòa 92,00 m2 Bê tông cốt thép 2 Bể kị khí (UASB) 24,50 m2 Bê tông cốt thép 3 Bể hiếu khí(Aerotank) 136,00 m2 Bê tông cốt thép 4 Bể lắng li tâm 27,44 m2 Bê tông cốt thép 69 5 Bể khử trùng 6,40 m2 Bê tông cốt thép 6 Sân phơi bùn 46,75 m2 Bê tông 7 Tổng diện tích 333,00 m2 Tính toán lượng khí metan sinh ra từ bể UASB Khí sinh học thu được từ hệ thống XLNT kỵ khí được làm sạch, tinh chế để loại bỏ CO2, H2O, H2S,... sẽ được đưa vào mạng lưới cung cấp khí metan cho các nhà máy trong khu công nghiệp. Đồng thời, song song với mạng lưới cấp điện, mạng lưới cấp khí metan dùng trong sản xuất chế biến NSTP tại các nhà máy này đảm bảo tự chủ về năng lượng và giảm chi phí sản xuất thực phẩm. Lượng COD bị loại bỏ trong xử lý tại bể UASB: 70% x 4707 x 10-3 = 3,295kg/m3 nước thải Lượng khí metan sinh ra là: 3,295 x 0,35 x 450 = 519m3khí metan/ngày Lượng khí metan chiếm từ 65-70% trong thành phần KSH, chọn 70%, như vậy lượng KSH sinh ra trong ngày là: 519 : 0,7 = 741,4 m3KSH/ngày Hệ thống 5 bể UASB được lắp đặt mỗi bể một đường ống dẫn KSH ở chính giữa của bể. Đường kính của mỗi đường ống nhánh dẫn khí từ bể UASB được tính như sau:        43600241014,3 4,7414 4 4 1 1 v Q D s tb  0,013m Chọn D1 = 13mm Trong đó: stbQ : Lưu lượng KSH trong mỗi giây 1v : vận tốc khí trong ống dẫn, chọn 1v = 10m/s 70 Như vậy, mỗi đường ống nhánh dẫn KSH từ bể có đường kính ống D1 = 13mm; D2 = 25mm. Đường ống dẫn khí chính dẫn vào để tinh chế làm sạch chọn đường kính ống là D3 = 40mm. Các đường ống dẫn khí nhánh đến khu vực hóa lỏng và đường ống khí đến các cụm sản xuất trong khu tập trung có đường kính ống dẫn là D4 = 25mm. Để đảm bảo điều kiện an toàn khi các nhà máy không có nhu cầu sử dụng khí metan hoặc lượng khí metan dư thừa so với nhu cầu sử dụng, khí metan sẽ được hóa lỏng phục vụ nhu cầu nhiên liệu. Các đường ống nhánh dẫn đến các khu sản xuất để sử dụng được chia nhỏ theo nhu cầu sử dụng năng lượng có đường kính ống dẫn D5 = 15mm. Ngoài ra, tại mỗi điểm nút giao các đường ống dẫn được lắp đặt thêm các van và đồng hồ đo lưu lượng để kiểm soát lượng khí sử dụng và có thể đóng mở khi cần thiết. Ví dụ: Khi lượng khí metan dư thừa trong một thời điểm được mở van sang chiết khí metan hoặc khi vào ban đêm các khu sản xuất nghỉ hoạt động thì van cung cấp khí cho các nhà máy được đóng lại và van cung cấp khí để hóa lỏng metan được mở ra. Mỗi một bình khí metan có thể chứa đến hơn 80 lít khí metan. Các loại bình khí metan này được dùng phục vụ nhu cầu dân sinh hoặc phục vụ nhu cầu công nghiệp. Với mạng lưới cấp khí metan được lắp đặt trong khu sản xuất đưa đến các nhà máy để tận dụng năng lượng thu được từ hệ thống XLNT kỵ khí. Mạng lưới này phải đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn lao động, phòng chống cháy nổ và đảm bảo các điều kiện khác về vận hành để đảm bảo áp suất khí metan cung cấp đạt yêu cầu về năng lượng. Hệ thống thu gom nước thải Nước thải được thu gom từ các cụm sản xuất trong khu tập trung. Các cụm sản xuất có thể bao gồm các nhiều hộ sản xuất hoặc chỉ gồm một công ty sản xuất được tập trung thu gom bằng đường ống cống chảy tự nhiên (vận tốc dòng nước thải chọn v = 0,01m/s). Các đường ống dẫn từ các cụm sản xuất có đường ống nhánh 71 d1=40cm; các ống nhánh nhỏ hơn từ các hộ trong cụm được thiết kế theo hiện trạng sản xuất. Đường ống thu gom nước thải chính có đường kính d2=100cm được phân phối vào bể điều hòa trước khi xử lý kỵ khí:        01,014,3 0052,044 2 v Q d tb s  0,814(m), chọn d2 = 100cm Ống dẫn chính được thiết kế rộng hơn lượng nước thải tính toán hiện có để đảm bảo nhu cầu sản xuất tăng lên và mở rộng quy mô sản xuất trong khu tập trung. Đường ống được thiết kế tăng lên với hệ số 1,2 so với hiện trạng đảm bảo khả năng thoát nước thải trong quá trình sản xuất. Trong đó, đảm bảo sự phát triển sản xuất của khu sản xuất tập trung trong tương lai. Sau khi nước thải được thu gom về bể điều hòa, nước thải sẽ được phân phối sang 4 đơn nguyên UASB (trong đó có 1 đơn nguyên dự trữ). Thiết bị phân phối nước vào là các dàn ống được khoan lỗ đưa nước thải từ phía đáy bể bơm đẩy lên phía trên mặt bể. Vận tốc của nước thải chảy trong ống được tạo thành nhờ các bơm đẩy có vận tốc từ 1,4-2,5m/s, chọn vận tốc v=1,5m/s. Đường kính các ống nhánh phân phối vào các bể đơn nguyên:       45,114,3 0052,04 45,1 5  tb sQd 0,033 (m), chọn d5 = 33mm. Hệ thống an toàn của hệ thống cấp khí metan Trong hệ thống cấp khí được bố trí các van tự động và thiết bị đo áp suất khí được lắp đặt tại các điểm mốc theo sơ đồ tại hình 3.2. Các van này hoạt động theo chế độ tự động đóng mở khi cần thiết và khi sửa chữa hoặc có sự cố. Ngoài ra, hệ thống được lắp đặt các thiết bị đo và cảnh báo khi rò rỉ khí metan, thiết bị sẽ tự động báo động bằng âm thanh và ánh sáng khi nồng độ khí mêtan vượt quá ngưỡng đặt trước (nồng độ 1%). Bể dự trữ khí metan được thiết kế dự trữ tương đương thể tích khí sinh ra trong một giờ là khoảng 22m3/h. Chọn kích thước bể dự trữ là 2m x 5m x 2,2m, 72 diện tích xây dựng của bể là 2m x 5m = 10m2. Bể có tác dụng dự trữ khí metan khi có sự cố tại các đường ống cấp khí, thực hiện dự trữ trong quá trình bảo trì, bảo dưỡng đường ống theo định kỳ. Ngoài ra, hệ thống được bố trí công nghệ hóa lỏng khí metan vào các bình gas có thể tích 80 lít. Đảm bảo an toàn cho hệ thống cấp khí khi áp suất gia tăng gây nguy hiểm dẫn đến rò rỉ trong hệ thống cấp khí. 73 Hình 3.2: Nguyên lý mạng lưới cấp khí metan và thu gom nước thải trong khu sản xuất tập trung D: Đường ống cấp khí (D1=13mm; D2=25mm; D3=40mm; D4=25mm; D5=15mm) d: Đường ống thu gom nước thải (d1=40cm; d2=100cm; d3=40cm; d4=30cm; d5=33mm) d2 d3 d4 Bể số 1 Bể điều hòa D 1 D 1 D 4 D5 D5 D4 D3 d1 d1 D1 D 1 D 1 D2 d2 d3 d4 d5 Bể số 2 Bể số 3 d5 d5 d5 d5 S o n g ch ắn rác Cụm sx 1 Cụm sx 2 Cụm sx 3 Bể dự trữ KSH Hóa lỏng Bể số 4 Bể số 5 Tinh chế 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận 1.1. Đặc điểm nguồn chất thải và hiện trạng sử dụng công nghệ khí sinh học * Đặc điểm nguồn chất thải Hai nguồn chất thải sản sinh trong quá trình chế biến NSTP kết hợp chăn nuôi có hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ phân huỷ gồm nước thải chế biến NSTP và chất thải từ chăn nuôi lợn (nguồn chất thải thứ cấp từ quá trình tận dụng bã thải, nước vo trong sản xuất chế biến NSTP). Tổng lượng chất thải thống kê bao gồm: Tổng lượng nước thải (trừ lượng nước thải sản xuất đậu phụ) là 441,15m3/ngày và 161.019,8 m3/năm, chất thải từ chăn nuôi lợn là 4.027,5kg/ngày và 1.470.037,5kg/năm. *Hiện trạng sử dụng công nghệ KSH Số hộ sản xuất chế biến NSTP áp dụng công nghệ KSH chiếm khoảng 40% tổng số hộ. Như vậy, tiềm năng KSH còn rất lớn chưa được khai thác chiếm tới 60% lượng chất thải chưa qua xử lý. Mục đích sử dụng của các hộ đối với công nghệ KSH hiện nay gồm 04 mục đích chính: - Đun nấu hộ gia đình: Với tổng số 197 hộ thì tổng mức năng lượng sử dụng để đun nấu ước tính là 1969 MJ/ngày; - Sử dụng đun nấu trong công đoạn chế biến NSTP: Tổng lượng than sử dụng ước tính là 6364,5kg/ngày cung cấp lượng nhiệt năng khoảng 83881,56MJ và việc sử dụng KSH thay thế than trong đun nấu chế biến NSTP là biện pháp góp phần bảo vệ môi trường; - Chạy động cơ đốt trong, thắp sáng: Có một số ít hộ gia đình sử dụng bóng đèn KSH để thắp sáng còn hầu hết các hộ khác đều không sử dụng cho mục đích này, do hiệu suất biến đổi từ KSH trực tiếp để thắp sáng thấp vào khoảng 35% năng 75 lượng chuyển đổi thành điện và nguyên nhân khác do thiếu nguyên liệu KSH và nguồn KSH chưa được tinh chế để sử dụng chạy động cơ sinh điện. - Sử dụng bùn thải, nước thải từ biogas làm phân bón trong nông nghiệp: Dạng phân bón này được người dân thường xuyên sử dụng do có hàm lượng chất hữu cơ cao tốt cho cây trồng và góp phần giảm lượng phân bón hoá học cần thiết sử dụng trong nông nghiệp. 1.2. Đánh giá tiềm năng của khí sinh học từ nguồn chất thải làng nghề Sen Chiểu Năng lượng từ KSH thu được từ các nguồn chất thải của làng nghề theo tiềm năng tính toán bằng khoảng 50,41% nhu cầu năng lượng cần thiết để phục vụ nhu cầu năng lượng trong sản xuất chế biến NSTP. Nếu chỉ sử dụng nguồn năng lượng này để nấu ăn thì nguồn KSH sẽ ko sử dụng được hết vì năng lượng dùng trong đun nấu chỉ chiếm một lượng rất nhỏ (khoảng 5% so với nguồn năng lượng KSH tiềm năng). Vì vậy, năng lượng từ KSH thay thế có hiệu quả các dạng năng lượng khác và dạng năng lượng gây ô nhiễm hơn như than đá hiện đang được sử dụng. 1.3. Hiệu quả về kinh tế, xã hội và môi trường của công nghệ khí sinh học Tiết kiệm được chi phí năng lượng không nhỏ để sử dụng vào các mục đích khác nhau: Đun nấu, sử dụng trong công đoạn chế biến NSTP. Việc tự chủ về nguồn nhiên liệu này đem lại cho người dân không những tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn tiết kiệm được thời gian trong đun nấu, góp phần cải thiện đời sống. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ KSH đem lại những hiệu quả về bảo vệ môi trường sống xung quanh, giảm thiểu tình trạng ô nhiễm nguồn nước trong làng nghề. 1.4. Đề xuất, kiến nghị về mô hình khí sinh học và giải pháp triển khai thực hiện trong quá trình xử lý nước thải làng nghề Trước các vấn đề đặt ra về môi trường của làng nghề trong đó có việc áp dụng công nghệ KSH. Theo đó, vấn đề quy hoạch làng nghề, khu sản xuất tập trung là quan trọng nhất để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường đối với làng nghề. Các 76 giải pháp còn lại chỉ mang tính trước mắt, giúp giải quyết một phần vấn đề ô nhiễm trong quá trình sản xuất đối với quy mô sản xuất nhỏ lẻ, tính chất hộ gia đình manh mún, theo truyền thống. Vì vây, trong giai đoạn phát triển mới vấn đề cấp thiết đòi hỏi công nghệ sản xuất tiên tiến, tập trung tạo ra khối lượng sản phẩm lớn và tiêu hao ít nhiên liệu hơn. Trong đó, đặc biệt là vấn đề phải đảm bảo vệ sinh môi trường. Vấn đề sản xuất quy mô lớn được quy hoạch là điều cần thiết phù hợp với các yêu cầu được đặt ra trong đó có yêu cầu về bảo vệ môi trường. Việc sản xuất tập trung, quy mô lớn sẽ dễ dàng hơn trong việc kiểm soát ô nhiễm trong quá trình sản xuất. Nước thải sẽ được đưa vào hệ thống xử lý nước thải chung của khu sản xuất tập trung, cụm công nghiệp làng nghề đó đảm bảo nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn về môi trường. 2. Kiến nghị 2.1. Đối với công tác nghiên cứu tiếp theo Nghiên cứu khả năng sinh khí và thu hồi nước thải chế biến NSTP trên quy mô công nghiệp. Do quá trình nghiên cứu còn hạn chế về thời gian, vì vậy quá trình nghiên cứu chỉ tiến hành đối với làng nghề Sen Chiểu. Nên cần thiết phải có nghiên cứu, đánh giá tổng thể các yếu tố ảnh hưởng việc áp dụng nhiều loại hình công nghệ KSH đối với các làng nghề chế biến NSTP để có sự đánh giá về hiệu quả từ việc áp dụng công nghệ KSH quy mô hộ gia đình và quy mô công nghiệp. 2.2. Đối với công tác quy hoạch vùng sản xuất tập trung Tiêu chí quy hoạch: Cần gắn kết với mục tiêu xây dựng nông thôn mới, gắn kết với ngành nghề truyền thống của địa phương và quy hoạch phát triển ngành nghề cho một vùng kinh tế rộng lớn hơn không chỉ phục vụ nhu cầu của địa phương mà tiến tới xây dựng thương hiệu sản phẩm. Quy mô sản xuất: Tiến tới sản xuất lớn, sản lượng lớn, ít tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng chất thải trong quá trình sản xuất. 77 Quy hoạch bảo vệ môi trường: Trong khu sản xuất chế biến NSTP tập trung được xây dựng hệ thống XLNT kỵ khí kết hợp với thu KSH. Hạn chế hình thức sản xuất chế biến NSTP hộ gia đình, nhỏ lẻ trong khu dân cư nhất là đối với các trường hợp xả thải gây ô nhiễm và sản xuất tại khu vực ngoài quy hoạch. Khuyến khích đầu tư, đổi mới công nghệ, sản xuất quy mô lớn trong lĩnh vực chế biến NSTP vào khu sản xuất tập trung. Đề xuất công nghệ XLNT tập trung trong đó có áp dụng công nghệ yếm khí để thu KSH dùng để tái sản xuất cũng như giảm nồng độ ô nhiễm đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao để giảm chi phí XLNT. Tận thu khí metan từ công nghệ XLNT kỵ khí để cung cấp năng lượng cho các cụm sản xuất chế biến NSTP trong khu tập trung. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: 1. Ðặng Kim Chi (2005), “Hướng dẫn áp dụng các giải pháp cải thiện môi trường làng nghề chế biến nông sản thực phẩm”, tr. 5-11, 22-27. 2. Hoàng Kim Giao (2011), “Công nghệ khí sinh học quy mô hộ gia đình”, Cục Chăn nuôi, Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn. 3. Hiệp hội làng nghề Việt Nam (2013), “Thống kê làng nghề trên cả nước”. 4. Nguyễn Quang Khải (2002), Công nghệ khí sinh học, NXB Lao động - Xã hội. 5. Nguyễn Quang Khải & Nguyễn Gia Lượng (2010), “Công nghệ khí sinh học chuyên khảo”, NXB Khoa học Tự nhiên - Công nghệ, tr. 8-28. 6. Trịnh Xuân Lai (2009), “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải”, NXB Xây Dựng. 7. Lương Ðức Phẩm (2007), “Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học”, NXB Xây Dựng, tr. 79-80, 202-209. 8. QCVN 40:2011/BTNMT (2011), Quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp. 9. Nguyễn Thị Minh Sáng và cộng sự (2010), “Nghiên cứu xác định các thuộc tính của làng nghề chế biến nông sản trên địa bàn tỉnh Hà Tây và đề xuất công nghệ khả thi cho xử lý nước thải và các dạng chất thải rắn”, báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp bộ, tr. 8-27. 10. Ðặng Ðình Thống & Lê Danh Liên (2005), Cơ sở năng lượng mới và tái tạo, NXB Khoa học Kỹ thuật, tr. 213-217. 11. Uỷ ban nhân dân xã Sen Chiểu (2012, 2013, 2014), “Báo cáo công tác môi trường trên địa bàn xã”, Sen Chiểu, Phúc Thọ, Hà Nội. 79 Tiếng Anh: 12. B. T. Nijaguna (2006), “Biogas Technology”, New Age International Pulishers. 13. Charles Banks (2001), “Anaeobic digestion and energy”, University of Southampton. 14. Douglas W. Hamilton, Ph.D., P.E. (2013),“Anaerobic Digestion of Animal Manures: Methane Production Potential of Waste Materials”, Springer. 15. Gareth M.Evans & Judith C.Furlong (2001), “Environmental Biotechnology Theory and Application”, A John Wiley & Sons Ltd. Publication. 16. Joshua Bright Amenoree (2013), “Waste to Energy”, Utah State University. 17. Joy Agnew (2002), “ABE 482 Lecture 9”, University of Saskatchewan. 18. Mahmoud M. El-Halwagi (1986), “Biogas Technology, Transfer and Diffusion”, Elsevier Applied Science Publishers, London & NewYork. 19. Naomi B. Klinghoffer & Marco J.Castaldi (2013), “Waste to Energy Conversion Technology”, Woodhead Publishsing. 20. Satoto Endar Nayono (2010), “Anaerobic Digestion of Organic Solid Waste for Energy Production”, Scientific Publishsing. 21. Soma Dutta & Ibrahim H.Rehman & Preeti Malhotra & Venkata Ramana R (2006), “Biogas: the India NGO experience”, AFPRO, CHF. 22. Strategy & Action Plan (2011), “Anaerobic Digestion, Department of Energy & Climate Change”, DEFRA. 23. Tasneem Abbasi & S.M. Tauseef & S.A. Abbasi (2012), “Biogas energy”, Springer. Nguồn website: 24. composite.html 80 25. 2%20Mo%20hinh%20ca%20heo.htm 26. 27. dot-thong-dung.html 28.