Luận án tiến sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu xây dựng mô hình sinh thái tích hợp nhằm phát triển bền vững sinh kế gắn với hệ sinh thái đặc thù trên nền đất phèn ở Đồng bằng sông Cửu Long

NGUYEN THI THU THAONGHIÊN CỨU XÂY DUNG MÔ HÌNH SINH THÁI TÍCH HỢP NHAM PHÁT TRIEN BEN VỮNG SINH KE GẮN VỚI HỆ SINH THÁI ĐẶC THÙ TRÊN NÈN ĐÁT PHÈN Ở DONG BANG SÔNG CUU LONG Ngành: Quản lý

Đề xuất mô hình sinh thái tích hợp các giải pháp tạo năng lượng

Nghiên cứu được thực hiện cho nông hộ Huỳnh Quế Phương ở xã Phước Lập, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang nhằm xem xét khả năng tạo sản phẩm nhiên liệu (Hình ảnh nông hộ ở Phụ lục PL1-5) Hệ thống này có sinh kế phù hợp với dit liệu sinh kế ở Bảng 3-1 ở quy mô nhỏ Hệ thống VC được nghiên cứu có đầu vào là 1.000 m2 cây ăn quả hỗn hợp và 10 con lợn và bể biogas Việc lựa chọn hệ thống. nông nghiệp quy mô nhỏ nhằm đánh giá hiệu quả bền vững sinh kế nông hộ khi các bồ sung các giải pháp tận dụng chất thai từ sinh kế tạo sản phẩm nhiên liệu Bởi vì, đối với một nông hộ quy mô nhỏ thì hiệu quả kinh tế từ các loại hình đầu tư là khá quan trọng Nghiên cứu này thuộc công trình công bố 2 trang 119 Các yếu tố bỗ sung cho hệ thống hiện tại gồm: lò nhiệt phân và máy ép viên là những công trình xử lý bổ sung cho hầm biogas (có sẵn trong hệ thống VC hiện tại) với nguyên liệu đầu vào là phân lợn và chất thải cây xoài, cây chuối và một số cây ăn quả địa phương không phổ biến như nhãn, mít.

Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm và phân tích hàm lượng năng lượng HHV của các sản phẩm từ các giải pháp này Kết quả HHV nhằm so sánh và đánh giá hàm lượng năng lượng của sản phẩm dé có thé dùng làm nhiên liệu và phân bón Sự phối trộn giữa chúng có thể làm tăng hàm lượng năng lượng của hỗn hợp Tỷ lệ than sinh học trong các sản phẩm dạng viên này nên chiếm 10% - 40% Ngoài ra, người dân vẫn sử dụng phân bò bón cây, vì vậy yếu tố sức khỏe không được đề cập. Nghiên cứu thực nghiệm về lò nhiệt phân và máy nén viên và sản phẩm của chúng. ở phần Phụ lục 3 (Hình PL 3-1).

3.2.3.1 Dữ liệu đánh giá hiệu quả EEE của hệ thống

Kết quả thực nghiệm đã xác định hàm lượng năng lượng các sản phẩm và hàm lượng các-bon của sinh khối được trình bày trong Bảng 3-11 Kết quả cho thấy hàm lượng năng lượng của than sinh học từ chất thải sinh khối tương đối cao hơn so với năng lượng từ phân hữu cơ và bùn biogas, như đã nêu trong các nghiên cứu trước đây theo tài liệu [61] Dữ liệu của bảng này được dùng để tính toán cho hiệu quả năng lượng và môi trường cho hệ thống hiện tại và đề xuất.

Bang 3-11 Ham lượng năng lượng và các-bon cúa sinh khối trong mô hình

Viết tắt của Đơn HHV Các-bon

TT Đầu ra/Đầu vào đầu ra/ đầu vị | MJ/Bon vi % vao

1 | Sinh khối rác vườn PR kg 16,76 45 [121]

TT Đầu ra/Đầu vào Viết tắtcủa | Đơn HHV Các-bon

5 ân hữu cơ từ phan | Op ns Kg | 11,77 311 chuông

6 | Than sink học từ chat) Ac Kg |2279 59,72 thải cây côi

Than sinh học từ bù

7 | aan Sint học OP) BC bs Kg |13 32,15 [60] biogas

Than sinh học tir pha

8 2n Sinn học Hr phân | BC ms Kg | 21,12 67,7 [40] chuông Than sinh học từ phân

9 hữu cơ (từ phân | BC cpms Kg 14,08 34,79 [80] chuồng)

10 | Viên nén từ bùn biogas | PL bs Kg 14,91 38,4 yy [Viên nến từ phan | or ins Kg | 13,4 38,01 chuồng

Viên nén than sinh học

12 tung: IPLb K 24,9 69,84 (từ chat thải cây côi) kử eS

Viên nén phan hữu cơ l3 R PL K 12,13 33,75

~: Không áp dụng dé tính hàm lượng COz.; *: CHs được sử dụng dé ước tinh lượng phát thải CO: từ việc đốt biogas Mật độ của CHs là 0,6 kg/m? biogas.

Các dữ liệu kinh tế của các hạng mục bổ sung được trình bày trong Bảng 3-12. Chúng được sử dụng để tính toán chi phí của các thông số đầu vào và lợi nhuận của sản phẩm đầu ra Nghiên cứu này chọn giá của các sản phẩm thứ cấp có giá thấp nhất dé khảo sát khả năng mang lại lợi nhuận của các mô hình xử lý Khoản lợi nhuận này sẽ là nguồn thu nhập bổ sung tốt dé hỗ trợ sinh kế của hộ gia đình.

Bang 3-12 Chi phí đầu tư (trong một tháng) và giá thị trường của sinh khối

TT Hạng mục Đơn vị Giá trị Đầu vào

TT Hạng mục Đơn vị Giá trị

Giá thị trường của viên nén sinh khối dao động tir 90 USD đến 100 USD một tấn, được áp dụng cho cả nhiên liệu sinh học và phân bón [47] Viên nén sinh khối có giá từ 78 USD đến 120 USD một tấn khi xuất khẩu sang các nước Châu A [99]. Giá thị trường quốc tế của than sinh học cao hơn 2 lần so với phân hữu cơ và 4 lần so với các sản phẩm nhiên liệu để tiêu hóa sinh khối Bên cạnh đó, hệ thống không tính đến chỉ phí lao động vì lực lượng lao động đến từ các thành viên của hộ gia đình, và điều này giúp giảm giá dự đoán của sản phẩm đầu ra.

3.2.3.2 Xây dựng các phương án của mô hình

Sơ đồ mô phỏng xu hướng kết hợp các giải pháp bé sung được trình bày trong

Vườn Chuồng lợn Ô ủ phân sinh học

Xu hướng kết hợp các giải pháp bổ sung dựa trên khối lượng sinh khối đầu vào. Một lượng lớn phân lợn có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho hau hết các giải pháp Tuy nhiên, lượng chất thải sinh khối của cây xoài chiếm 1% so với lượng phân lợn Do đó, chúng chỉ được sử dụng làm nguyên liệu cho lò nhiệt phân hoặc máy nén viên Lò nhiệt phân tận dụng biogas dé đốt chất thai cây cối thành than sinh học Với một m? biogas tạo ra 5 kWh [43], bể biogas có thể tạo ra khoảng 110 kWh (400 MJ) trong một tháng, chỉ đủ để đốt từ 10 kg đến 20 kg chất thải sinh khối cây xoài trong lò nhiệt phân Điều đó gây ra tình trạng không đủ biogas để sản xuất điện cho hệ thống Từ các phân tích trên, các phương án xử lý chất thải thành sản phẩm nhiên liệu cho hệ thống VC hiện có được phân loại theo ba nhóm (Hình 3-9a, 3-9b, 3-9c), bao gồm: e Nhom 1: Nhiệt phân va tạo viên được ưu tiên cho hệ thống như được trình bày trong các mô hình (I) đến (IV); e Nhóm 2: Tất cả các giải pháp dé xử lý chất thai cây cối và phân lợn được mô phỏng theo bốn mô hình từ (V) đến (VII); e _ Nhóm 3: Các mô hình từ (IX) đến (XII) có cả viên nén và hoặc làm phân hữu cơ hoặc ky khí và Mô hình (XII) chỉ có xử lý bằng nén viên Các mô hình nay không bao gồm trộn than sinh học của chất thải sinh khói với sinh khối khác.

Bo là vì khối lượng của than sinh học này thấp hơn 20 lần so với sinh khối khác,không đủ dùng đề kết hợp sinh khối khác tạo các sản phẩm khác. Điện Than từ vườn biochar, từ phân. (i)

Bùn biogas Than tir phân, từ bùn

= Điện Than từ av) Bé biogas >

Hình 3-9a Mô phỏng nhóm mô hình 1 wv)

Viên nén từ biochar, từ bùn, từ compost

(VD Điện Viên nén từ biochar, từ phân, từ compost

(VI) h nén tir biochar, tir compost, tir bùn, tir phân Điện

Hình 3-9b Mô phỏng nhóm mô hình 2

&) 'Viên nén tir Điện compost, từ phân

Viên nén từ rác vườn, từ ôxp bin

(XI) từ phân và từ vườn

Hình 3-9c Mô phỏng nhóm mô hình 3

3.2.3.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế, năng lượng và môi trường

Kết quả tính toán tổng hợp các khía cạnh kinh tế, môi trường và năng lượng của các mô hình trong một năm được thể hiện trong Bảng 3-13 Về mặt lợi nhuận MTP, các mô hình (II) đến (IV) tạo ra sản phâm dạng viên đạt được mục tiêu lợi nhuận. Đối với các mô hình (V) đến (VIII), lợi ích kinh tế từ phân hữu cơ cao hơn so với sản phẩm dạng viên Mặc dù lượng phân giảm đi một nửa đối với các giải pháp xử lý trong các mô hình (V) và (VI), phân hữu cơ và sản phẩm viên nén từ phân vẫn mang lại lợi nhuận Tuy nhiên, chỉ các sản phẩm phân hữu cơ đảm bảo lợi nhuận trong các mô hình (VII) đến (VII khi lượng phân được chia đều cho các giải pháp xử lý trong các mô hình này Các mô hình của Nhóm 3 đạt được hiệu quả kinh tế từ sản phâm thức ăn viên mà thức ăn chăn nuôi là phân lợn và phân hữu cơ từ phân lợn.

Như vậy, kết quả cho thấy hai mô hình (II) ở nhóm 1 và (VI) ở nhóm 2 có lợi nhuận cao trong số các mô hình có cùng sản phẩm viên nén từ bùn biogas.

Báng 3-13 Tổng hợp các khía cạnh kinh tế, môi trường và năng lượng của các mô hình (trong một năm)

Mô | Chiphí | Lợiíh | lượng | wong | gang | đầy ra Hiện quả bu hình | (VNĐ) (VNĐ) | đầu vào | đầura đe) ke) ee hee | Bang " a

(M) | (Md) kí k lượng k đŒ) | 745400 | 43200 | 17127 | 6406 | 1850 61 7 037 0.03 ay_| 907400 | 79200 | 17516 | 12.015 | 1850 947 : 0.69 Mà

Vé khía cạnh năng lượng, mô hình có nhiệt phân và ủ phân sinh khối rác vườn cây ăn quả, tổng hiệu suất năng lượng trên sản phẩm đầu ra thấp hơn so với nguyên liệu đầu vào Nhìn chung, các mô hình (II), (VI), (VII) va (VIII) đạt hiệu suất nang lượng cao hơn các mô hình còn lại.

Dựa trên hàm lượng các-bon trong sinh khối, các mô hình (HD, (VI), (VI) và (VIID cô lập CO; nhiều hơn phát thải COs.

Kết quả phân tích hiệu quả EEE đối với hệ thống VC hiện tại cho thấy hai mô hình (ID, (VI) đạt hiệ nhiên, hiệu quả EEE trong các mô hình có sản xuất các sản phẩm than sinh học và quả EEE tổng thể cao hơn so với các mô hình còn lại Tuy nén viên không mang lại kết quả như mong đợi Mô hình (XII) mặc dù đạt tổng EEE cao hơn các mô hình khác nhưng chưa khả thi ngoài thực tế Nó cho thấy việc đầu tư vào một lò nhiệt phân và nén viên trong điều kiện sinh kế quy mô nhỏ không có lợi về chỉ phí vì khối lượng chất thải đầu vào quá ít cho nhiệt phân và nén viên.

Đề xuất mô hình sinh thái tích hợp các giải pháp tạo dinh dưỡng và năng lượng 3.2.5 Nhận xét chung về các mô hình sinh thái tích hợp được đề xuất 3.3 Nghiên cứu điển hình cho mô hình dé xuất tại vùng phèn ở DBSCL

Nghiên cứu phân tích dữ liệu sinh kế ở tat cả các quy mô ở Bang 3-1 để xây dựng mô hình tích hợp sinh kế nông hộ với các giải pháp khai thác tài nguyên bồ sung vào sinh kế nhằm tạo sản phẩm phân bón và năng lượng Đây là mô hình giả định cho các quy mô sinh kế Từ đó, hiệu quả kinh kế, dinh dưỡng và năng lượng của mô hình đề xuất được đánh giá Chỉ tiết của nghiên cứu này thuộc công trình công bố số 3 trang 119 Như vậy, các thông số tính toán hiệu qua của các phương án sẽ liên quan đến: Khối lượng sinh khối đầu vào; Chi phí và lợi ích của mô hình; Hàm lượng dinh dưỡng; và Năng lượng của đầu vào, đầu ra Cụ thể các thông số liên quan bao gồm: e _ Về khối lượng chất thải:

- Chất thải gồm 2 kg phân lợn (10 kg phân bò) được tao ra mỗi ngày Mỗi cây tạo ra 0,001 kg phụ phẩm trong vườn mỗi ngày Lượng thức ăn hàng ngày cho trùn qué (Perionyx digvatus) thường bằng khối lượng của chúng Một kg giun tăng năng suất hàng ngày 0,42 kg Mỗi ngày, giun thải ra phân bón bằng

30 - 40% khối lượng của chúng vào luống nuôi nếu được cho ăn đủ (nghĩa là nuôi 3 - 5 kg giun/m thì mỗi ngày sẽ được 1 - 2 kg giun) Khối lượng bùn ao dao động từ 0,2 đến 0,5 kg trên 1 kg cá sản xuất, trung bình là 0,35 g [87]. Một kg cá bột (mỗi con 2 g) có thé đạt 150 kg trong 60 ngày, nghĩa là khối lượng tăng 2,5 kg mỗi ngày Mật độ trùn quế thích hợp khoảng 0,8 kg/m? đến

1 kg/m2, hoặc khoảng 8.000 con/m? đến 10.000 con/m? Lượng thức ăn hàng ngày cho trùn quế (Perionyx digvatus) không đáng kể, thường bằng khối lượng của chúng Một kg giun tăng năng suất hàng ngày 0,42 kg Do đó,lượng phân làm thức ăn cho trùn qué được tinh theo công thức (3-1):

Trong đó: Q là khối lượng (kg); r là thời gian luân chuyền trong năm, m là khối lượng của động vật (như giun đất, cá); mg là khối lượng tăng thêm hàng ngày (0,42 kg/kg trùn), d là số ngày thu hoạch.

- Từ đó, khối lượng phân trùn qué và bùn ao cá được tính theo công thức (3-2):

Trong đó: e là hiệu quả sản xuất của phân (hoặc bùn ao cá) Hiệu quả sản xuất của các quy trình thu hồi bao gồm 40% sản phẩm phân hủy được sản xuất từ ky khí [50] và 40% - 70% năng suất phân hữu cơ từ quá trình ủ phân (trung bình 50 phần trăm) [32] Năng lượng bồ sung từ ky khí thu được 0,036 mẺ biogas/kg phân lợn tươi (hoặc phân bò) mỗi ngày [112]; 5 kWh trên một mẺ biogas [43]; và | kWh điện mang lai 3,6 MJ.

- Thể tích của bể biogas được tính theo công thức (3-3 ) sau: §=nxm xa x d/1000 (m°) @-3)

Trong đó: n là số lượng vật nuôi, m là khối lượng phân trung bình 2 kg đối với phân lợn và 10 kg đối với phân bò; a là tỷ lệ nước - phân, tương ứng là 3:1 và 2:1 đối với lợn và bò; d là thời gian lưu (30 ngày).

- Lò đốt dự kiến mỗi lần đốt khoảng 10 kg, mỗi ngày đốt 2 lần, khoảng 7.200 kg một năm. e Vé chỉ phí - lợi ích:

Bảng 3-14 nêu lên các chi phí đầu tư cho các giải pháp bồ sung và giá cả sản phẩm sau xử lý dựa trên giá thị trường hiện tại Hệ thống không tính đến chỉ phí lao động vì sức lao động từ các thành viên trong gia đình Thời hạn sử dụng của các hạng mục của mô hình khoảng 10 năm, ngoại trừ lò nhiệt phân là 3 năm Các giá trị khấu hao của hạng mục công trình dùng để tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thông.trong khoảng thời gian nhất định.

Bang 3-14 Chi phí đầu tư cho các giải pháp b6 sung cho nông hộ ở các quy mô khác nhau và giá cá sản phẩm sau thu hồi

Loại giải pháp Hạng mục Đơn vị

Chi phi đầu tư đã khấu hao (1 nim) | VND

Ky khí Bề tách phân 100.000 | 200.000 300.000

Bê gach/be 400.000 | 1.000.000 1.400.000 nhựa Làm phân Gach, xi măng 100.000 | 200.000 300.000

Nhôi trùn Gach, xi măng 100.000 | 200.000 300.000

Nhiét phan Lò nhiệt phân 333.333 | 666.667 666.667

Viên nén (PL) | VND/kg 1.800 Than sinh hoc (BO) VND/kg 1.500 phân hữu cơ (CP) VND/kg 300

Tran qué tỉnh | VND/kg 60.000

Phan trùn VND/kg 5.000 ô Vộham lượng dinh dưỡng cho cõy trồng và năng lượng:

Các dữ liệu về hàm lượng ni-to (N) được dùng cho tính toán hiệu suất thu hồi dinh dưỡng được thé hiện ở Bảng 3-15 Các sinh khối trong nghiên cứu này có hàm lượng P tính theo khối lượng khô thường nhỏ hơn 1% hoặc không phát hiện (theo các tài liệu tham khảo) cho nên nghiên cứu không tính P trong mô hình.

Bang 3-15 Hàm lượng ni-to trong sinh khối (tính theo khối lượng khô)

Tên mà Tham R _] Than Tham y B B

Vậtiệu thô | %N | uạu | Bim | %N | Tham khio | uynạ, | %N | khảo

Phân lợn 3,08 |[126]1 |TÈ Phan} gig | lao] Từ phan} | 96 | [69]

(127) |Từ phan | 1,10 | [56] Từ phân | 1,80 | [72] at lads A Tham ^ N Than ham % %N 7 Vat liệu thô YN khảo Bùn YN ham khảo sinh học %N khảo bộ [I2] bò [108]

Từ cá rô Lá cây phi 450 | [ra tươi

Phân hữu cơ | %N 3 Nuôi trùn | %N | Tham khảo

Tiêu chuẩn của năng lượng sinh khối rắn dựa trên HHV là từ 16 MJ/kg Trong khi đó, theo kết quả thực nghiệm HHV của các đầu vào cho lò đốt là 12,52 MJ/kg đối với phân và chat thai cây xoài là 16,76 MJ/kg Các sản phẩm sau thu hồi có giá trị như nhiên liệu gồm than sinh học của chất thải cây cối (HHV trung bình 22,79

MJ/kg), biogas (22 MJ/kg) [121], viên từ bùn biogas 14,91 MJ/kg, viên từ than sinh học (từ chất thải cây cối) 24,9 M1/kg, viên từ than sinh học của phân 22,12 MJ/kg, viên từ phối trộn bùn biogas với than sinh học 16,40 MJ/kg Nghiên cứu này giả định năng lượng từ các sản phẩm sau xử lý phân lợn và bò là như nhau.

3.2.4.1 Dé xuất các giải pháp khai thác tài nguyên từ chất thải

Dữ liệu hiện trạng sinh kế truyền thống ở Bảng 3-1 có thé phân loại thành hai hệ thống sinh kế gồm: hệ thống SI gồm vườn cây (xoài) - ao nuôi cá - chuồng heo và hệ thống S2 gồm vườn cây (xoài) - ao nuôi cá - chuồng bò Các yếu tố bd sung vào sinh kế gồm các giải pháp bổ sung được dé xuất đáp ứng tiêu chí phát triển mô hình sinh thái tích hợp ở Bảng 3-3 Từ đó, các giải pháp được đề xuất cho mô hình sinh thái quy mô nông hộ sẽ bao gồm ủ phân, nuôi trùn quế, ky khí, nhiệt phân và nén viên Xu hướng kết hợp các giải pháp bổ sung được mô tả trong Hình 3-11 (ký hiệu từ - ).

Từ Hình 3-10, kết quả kết hợp giữa sinh kế và giải pháp bổ sung cho hệ thống S1 hoặc S2 tạo 94 phương án mô hình tiềm năng (AI - A94) được thể hiện ở Bảng 3-16 Các phương án từ AI - A40 có thể áp dụng cho tất cả các kích cỡ của hệ thống nông nghiệp hiện tại Còn lại các phương án từ A41 - A94 chỉ có hệ thống có kích cỡ lớn mới áp dụng do giải pháp nhiệt phân chỉ áp dụng cho khối lượng đủ lớn của rác vườn.

Sinh kế Giải pháp xử lý chat thai (có sẵn hoặc đề xuất)

Phan hủy ky khí Khi đốt

‘Chat thai cây côi J mm

Ghi chú:(—) Sản phẩm daura CO Quátrnh+ : > Nguyên liệu sơ cá

Hình 3-10 Các giải pháp và xu hướng thu hồi tài nguyên của một hệ thống nông nghiệp tích hợp quy mô nông hộ tại vùng phèn ở ĐBSCL

Bảng 3-16 Các phương án tiêm năng khi tích hợp các giải pháp bô sung

Ký Ký Ký Ký A hiệu Phương án hiệu Phương án hiệu Phương án hiệu Phương án

A4 |xsằo | ars | Se A52 | So voạo A6 | seằ

= ơ > A6 | > A30 | Se AS | apse et> | AB | ci

AT | ast | oo oe ASS | cas 5 A79 |

>

AB | oo So ego A4 |

A6 | oS os cee A90 ơ

= aig | SPS | nas | >