Vật liệu

Nghiên cứu này sẽ đánh giá vòng đời và chi phí vòng đời của các giải pháp thu hồi nước thải và bùn ao hệ thống nuôi tôm siêu thâm canh cho hộ dân điển hình là hộ dân Mạch Đồng Khởi tại xã Tạ An Khương Nam, huyện Đầm Dơi, tỉnh Cà Mau (9°00'37.4"N 105°12'16.6"E). Khu vực nghiên cứu có diện tích khoảng 2,5 ha (Figure 1) bao gồm ao trữ lắng, ao xử lý cấp, ao sẵn sàng, ao ương, ao nuôi và các công trình phụ trợ. Đặc điểm của hộ nuôi được thể hiện tại Table 1. Đây là hộ điển hình cho nuôi tôm siêu thâm canh (nuôi tôm trên ao trải bạt) ở tỉnh Cà Mau.

Figure 2 mô tả hệ thống canh tác hiện tại, trong đó nguồn nước cấp cho các ao nuôi từ kênh gần đó (được nối thông bằng ống nhựa PVC đường kính 114 mm) và được lưu chứa trong Ao trữ lắng có diện tích là 5.000 m. Sau đó, nước được chảy tràn vào Ao xử lý cấp có diện tích 5000 m nhằm lắng, lọc, sử dụng một số hóa chất vôi, thuốc tím để xử lý nước cấp trước khi cho vào ao nuôi nhằm đảm bảo chất lượng nước tốt nhất từ ao nuôi. Ao sẵn sàng của hộ có diện tích 5000 m được dùng để trữ nước từ ao xử lý cấp phục vụ cấp nước cho ao ương và ao nuôi. Ao ương với có diện tích 300 m được dùng để nuôi tôm thời kỳ còn nhỏ (dưới 20 ngày tuổi). Ao nuôi có hộ có tổng diện tích 4.800 m được được chia làm 04 ao có kích thước như nhau (mỗi ao 1.200 m) dùng để nuôi tôm đến thu hoạch, mỗi vụ nuôi khoảng 90 ngày. Các ao nuôi được lót bạt chống thấm nên trong quá trình nuôi, lượng nước phục vụ cho nuôi tôm chỉ bị thất thoát do bốc hơn. Lượng thức ăn hộ cung cấp cho 04 ao nuôi trong toàn vụ là 25 tấn.

Các hạng mục đầu tư sản xuất được sử dụng cho nuôi tôm siêu thâm canh của hộ trong 1 vụ nuôi được thể hiện tại Table 2.

Trong hệ thống canh tác hiện tại, nước trong ao nuôi sẽ được thay thế khoảng 20% lượng nước trong ao nuôi trong 1 ngày. Trong quá trình canh tác, sẽ có một lượng nước thất thoát do quá trình bốc hơi và nước thải từ ống siphon (chiếm khoảng 2% thể tích ao nuôi). Như vậy, mỗi ngày ao tôm thải ra môi trường một lượng nước thải khoảng 1.478,4 m (khoảng 133.056 m trong 1 vụ nuôi). Các ao lắng bùn và ao sinh học là những ví dụ về ao xử lý chất thải cho hệ thống đề xuất. Kích thước của chúng được lấy từ kết quả tính toán lượng nước siphon và lượng nước thay thế (Figure 3). Các giải pháp xử lý nước không tốn nhiều chi phí cho chủ hộ nuôi tôm.

Dựa trên các số liệu thu thập về hiện trạng nuôi tôm siêu thâm canh của hộ, hệ thống tích hợp dùng để tuần hoàn nước và xử lý bùn ao nuôi tôm được đề xuất như sau:

Nước thải từ quá trình nuôi tôm và nước thải siphon được cho chảy tràn về ao lắng. Tại đây, bổ sung các giá thể vi sinh (dùng lưới đánh cá cũ) để lọc các bùn lơ lửng. Sau đó, nước tiếp tục được cho chảy tràn qua ao xử lý sinh học có diện tích 2.400m được chia làm 02 ao, mỗi ao có diện tích 1.200 m. Ao xử lý sinh học thứ 1 có nuôi cá như rô phi để tiêu thụ các chất hữu cơ còn trong nước. Sau đó nước thải được chảy tràn qua Ao xử lý sinh học thứ 2, tại đây sử dụng các loại thực vật để lọc nước tự nhiên như cây đước, cỏ năng để loại bỏ dinh dưỡng và chất rắn lơ lửng còn lại. Nước sau đó, được tuần hoàn về ao xử lý (sử dụng bơm 4HP) của hộ nuôi để chuẩn bị cho quá trình nuôi tiếp theo. Đồng thời, nước xử lý còn bị thất thoát do quá trình bốc hơi.

Bùn thải ao nuôi có nguồn gốc từ thức ăn thừa, chất thải của tôm được siphon hàng ngày. Nước siphon (ước tính mỗi ngày có khoảng 134,4 m nước siphon) được đưa vào Ao lắng với thể tích 140 m để tách cặn bùn và nước nhằm giảm tải lượng xử lý cho ao sinh học, thời gian lắng tại đây là 7-8 tiếng. Bùn cặn được đưa vào biogas 18m, thông qua quá trình phân hủy kị khí thu hồi được khí sinh học, lượng khí sinh học này được sử dụng cho mục đích sinh hoạt (thay thế nhiên liệu nấu ăn) của 06 công nhân tại trại nuôi tôm. Ngoài ra, lượng bùn thải còn lại sẽ được đưa về khu ủ phân Compost có diện tích 20 m để ủ phân Compost để bán cho các hộ dân trồng cây xung quanh. Bùn được trộn với mụn dừa theo tỷ lệ 7:3 18. Hỗn hợp phân bón được ủ theo mô hình luống, được thông khí tự nhiên và được đảo trộn 1 ngày/1 lần. Đối với 100kg phân hỗn hợp sử dụng 04 lít chế phẩm sinh học là EM2 (200g Bio-EM + 2 lít mật rỉ đường + 18 lít nước). hân được ủ trong 65 ngày và duy trì độ ẩm 60-70% 18.

Phương pháp nghiên cứu

Đánh giá vòng đời (LCA - Life Cycle Assessment)

Công cụ đánh giá vòng đời (LCA) được áp dụng để đánh giá những tác động môi trường của mô hình tuần hoàn chất thải, đánh giá gồm bốn bước như Figure 5:

• Bước 1: Xác định mục tiêu và phạm vi đánh giá

• Bước 2: Phân tích kiểm kê

• Bước 3: Đánh giá tác động

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá phát thải CO và chi phí vòng đời tính bền vững trong vòng đời của các giải pháp tuần hoàn nước và bùn thải từ hệ thống nuôi tôm siêu thâm canh. Nghiên cứu đánh giá dựa trên các giải pháp tái chế tài nguyên nước và bùn sau quá trình nuôi của hộ dân, không can thiệp vào quá trình nuôi tôm của hộ.

Figure 4 mô tả ranh giới của hệ thống. Phạm vi của nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá vòng đời và chi phí vòng đời của mô hình ở giai đoạn xây dựng các hạng mục và vận hành để tái sử dụng nước và thu hồi khí sinh học, sản xuất phân Compost từ bùn. Đầu vào là nước thải, bùn thải từ ao, năng lượng sử dụng và các vật liệu xây dựng các hạng mục. Đầu ra là nguồn nước được tuần hoàn, phân Compost, khí sinh học được tạo ra từ hệ thống. Trong suốt chu trình sống của một hệ thống, giai đoạn xây dựng các hạng mục và vận hành có tác động lớn đến môi trường. Do đó, nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các tác động liên quan đến giai đoạn này.

Đơn vị chức năng (FU) trong nghiên cứu này được xác định là “1 m nước thải được xử lý” đối với các giải pháp xử lý và thu hồi nước thải” và “1 kg bùn khô được xử lý” đối với các phương án xử lý bùn.

Lượng phát thải CO của hệ thống sẽ liên quan đến tiêu thụ năng lượng và nguyên liệu: Việc ước lượng phát thải CO liên quan đến tiêu thụ điện để bơm nước và vật liệu xây dựng các hạng mục thu bùn và sản xuất phân Compost.

Công thức từ (1) và (2) được sử dụng để tính lượng phát thải CO trong hệ thống các giải pháp được đề xuất gồm tính toán lượng phát thải CO liên quan đến tiêu thụ điện, tính toán lượng phát thải CO liên quan đến các vật liệu, hóa chất sử dụng trong quá trình sản xuất phân Compost và tái sử dụng trong hệ thống tuần hoàn nước thải. Công thức (3) dùng để tính toán lượng phát thải CO liên quan bùn thải mà hệ thống đã giảm thiểu phát thải ra môi trường.

Lượng phát thải CO liên quan đến tiêu thụ điện (P) được xác định bằng công thức:

Lượng phát thải CO liên quan đến tiêu thụ điện (P) được xác định bằng công thức:

= Ex EF (1)

Trong đó: E là sản lượng điện tiêu thụ (kW); EF là hệ số phát thải CO từ việc sản xuất điện.

Lượng phát thải CO liên quan đến các nguyên vật liệu tham gia vào quá trình xây dựng, vận hành hệ thống:

, = Qi x EFi (2)

Trong đó: Q là khối lượng vật liệu đã được sử dụng (kg), EF là hệ số phát thải CO từ việc sản xuất vật liệu đó. Ví dụ về i là loại vật liệu gạch, xi măng, Composite, sắt.

Lượng phát thải CO liên quan đến bùn thải của ao nuôi:

, = Q x EF (3)

Trong đó: Q là khối lượng bùn thải ao nuôi tôm (kg), EF là hệ số phát thải CO của bùn thải ao nuôi tôm.

• Bước 4: Trình bày kết quả

Figure 5 thể hiện khung làm việc của LCA theo tiêu chuẩn ISO 14040.

Đánh giá chi phí vòng đời (LCC)

Để giải quyết hiệu quả kinh tế của các giải pháp tuần hoàn nước và bùn thải ao nuôi tôm siêu thâm canh, LCC đã được tiến hành song song với LCA. Nghiên cứu này dựa trên dòng tiền thực tế để tránh chồng chéo giữa LCA môi trường và LCC 19.

Đánh giá vòng đời (LCA - Life Cycle Assessment)

Phân tích kiểm kê

Các dữ liệu được thu thập trong giai đoạn phân tích kiểm kê gồm: tiêu thụ điện, khối lượng nguyên vật liệu dùng để xây dựng các hạng mục, nguồn nước thải, bùn thải đầu vào, lượng thất thoát. Các dữ liệu được thu thập từ hộ dân, đảm bảo độ tin cậy cao.

Lượng điện tiêu thụ cho quá trình vận hành hệ thống xử lý được ghi nhận bằng đồng hồ ghi chỉ số riêng, bao gồm điện tiêu thụ cho việc vận hành các thiết bị, ở đây mô hình chỉ sử dụng thiết bị điện cho hệ thống máy bơm nước từ hệ thống xử lý và tới ao xử lý cấp. Các giải pháp không sử dụng hóa chất. Bùn thải ao nuôi tôm được tính toán dựa vào bảng tổng hợp lượng thức ăn do công nhân vận hành cung cấp.

Các số liệu thu thập được về điện, khối lượng nước thải và bùn thải cũng như kích thước các hạng mục bổ trợ được sử dụng cho tuần hoàn nước và bùn thải được tóm tắt như Table 3.

Dữ liệu kiểm kê cho hệ thống tuần hoàn nước thải và bùn thải ao nuôi tôm siêu thâm canh được mô tả trong sơ đồ Figure 6.

Đánh giá phát thải khí nhà kính

Kết quả kiểm kê phát thải KNK của hệ thống tuần hoàn nước thải và bùn thải ao nuôi tôm siêu thâm canh được thể hiện ở Table 4.

Khối lượng KNK từ lượng năng lượng, nguyên liệu tiêu thụ và lượng nước được tái sử dụng, phân compost được sản xuất từ bùn ủ được sơ đồ hóa bằng sơ đồ Figure 7.

Ứng dụng LCA cho hệ thống hiện tại cho thấy để tái sử dụng 1m nước thải nuôi tôm (bao gồm nước thay và nước siphon hằng ngày) yêu cầu phải sử dụng 0,01491 kW điện (tương đương 0,0108 kg CO), ở đây được dùng để vận hành máy bơm nước từ Ao xử lý sinh học thứ 2 về lại Ao xử lý cấp với lượng nước là 1.465,7 m nước (hao hụt 0,0127 m nước so với nước thải từ Ao nuôi do quá trình bốc hơi). Đồng thời, để tạo ra 1 m nước tuần hoàn, yêu cầu phải xây dựng các hạng mục yêu cầu 0,00603 kg màng chống thấm HDPE (tương đương 0,00964 kg CO), 0,00245 kg nhựa PVC từ ống nhựa và lưới (tương đương 0,00501 kg CO). Bên cạnh đó, để sản xuất ra phân Compost từ bùn siphon hằng ngày yêu cầu phải lắp đặt, xây dựng các hạng mục phụ trợ vì vậy phát thải 1 lượng CO vào môi trường. Theo kết quả tính toán, để sản xuất ra 1 kg phân Compost từ bùn siphon hằng ngày yêu cầu phải sử dụng 1,667 kg bùn ao nuôi tôm (tương đương 0,187 kg CO) 0,28444 kg gạch (tương đương 0,00005 kg CO), 0,06667 kg xi măng (tương đương 0,0054 kg CO), 0,04444 kg Composite (tương đương 0,085 kg CO).

Đánh giá chung

Quá trình khảo sát, kiểm kê, thu thập số liệu tại hộ Mạch Đồng Khởi, xã Tạ An Khương Nam, huyện Đầm Dơi, tỉnh Cà Mau được thực hiện đầy đủ, đảm bảo độ tin cậy cao. Các số liệu tính toán phát thải CO được tính toán đảm bảo độ chính xác. Trong đó, phát thải chiếm tỉ lệ lớn trong hệ thống liên quan đến giai đoạn vận hành do điện năng tiêu thụ để vận hành máy bơm nước tuần hoàn từ Ao sinh học thứ 2 về hệ thống canh tác hiện tại của hộ, với 1.420,62 kgCO/vụ, chiếm tỉ lệ 29,5% so với các giai đoạn khác. Trong 1 vụ nuôi, hệ thống xử lý chất thải của ao nuôi tôm được đề xuất bao gồm tuần hoàn nước thải và bùn thải đã phát thải 4.823,54 kgCO/vụ, kết quả này thấp hơn so với hệ thống xử lý nước thải con số nuôi tôm sinh thái 17 thâm canh và bán thâm canh13.

Đánh giá chi phí vòng đời (LCC)

Áp dụng các giải pháp tuần hoàn nước và bùn thải ao nuôi tôm siêu thâm canh tại hộ dân điển hình bao gồm các hạng mục như đã trình bày tại Figure 4. Chi phí, doanh thu và lợi nhuận được tổng hợp như Table 5:

Chi phí lắp đặt ao lắng là 7.850.000 đồng bao gồm thả các giá thể vi sinh (lưới cũ) là 6.000.000 đồng, màng chống thấm HDPE là 1.650.000 đồng với giá 11.000 đồng cho 1 m và ống nhựa PVC giá 200.000 đồng. Ao sinh học 1 được lắp đặt với chi phí 19.950.000 đồng bao gồm màng chống thắm HDPE, ống nhựa và nuôi 100 kg cá rô phi với giá 6.000.000 đồng. Chi phí lắp đặt ao Ao sinh sinh học thứ 2 là 18.950.000 đồng bao gồm màng chống thấm HDPE, áo nhựa và máy bơm nước giá 5.000.000 đồng. Chi phí lắp đặt 02 bể biogas có thể tích 9 m (bao gồm cả tiền nhân công lắp đặt, đường ống dẫn khí và bếp) là 30.400.000 đồng. Khu ủ phân Compost được xây dựng 20m bao gồm vật tư xây dựng có giá 1.560.000 đồng và 2.000.000 đồng/vụ tiền vi sinh để ủ phân 7,5 tấn bùn/vụ. Bên cạnh đó, để vận chuyển lượng nước tuần hoàn sau hệ thống xử lý đến Ao xử lý cấp trước khi cấp vào Ao sẵn sàng cần sử dụng máy bơm với công suất 4HP bơm liên tục tiêu tốn lượng 21,84 kW/ngày, tương đương 3.000.000 đồng. Như vậy, chi phí cho xây dựng các hạng mục bổ sung cần thiết cho hệ thống là 78.710.000 đồng và vận hành là 5.000.000 đồng/năm.

Sau khi các giải pháp tuần hoàn nước thải và bùn thải được tích hợp trong 01 hệ thống và vận hành ổn định thì sản phẩm được tạo ra mạng lại giá trị kinh tế đáng kể cho hộ dân nuôi tôm là khí sinh học, phân Compost và cá trong ao sinh học. Đối với lượng khí sinh học tạo ra có thể đáp ứng lượng khí sử dụng cho nhu cầu sử dụng của 06 công nhân, tương đương khoảng 6.000.000 đồng. Doanh thu ủ phân Compost 31.500.000 đồng/vụ với giá thị trường phân hữu cơ khoảng 7.000 đồng/kg. Cá nuôi trong ao sinh học được bán mang lại khoảng 54.000.000 đồng/năm cho hộ dân với giá thị tường 30.000 đồng/kg. Như vậy, tổng doanh thu được từ hệ thống tuần hoàn nước, bùn thải trong ao mang lại thu nhập 91.500.000 đồng cho hộ dân mỗi vụ nuôi. Như vậy, sau khi trừ đi chi phí xây dựng và vận hành trong năm đầu thì hộ vẫn mang lại lợi nhuận 7.790.000 đồng/vụ từ các hạng mục đã đầu tư.

Table 5 cho thấy lợi nhuận từ Ao sinh học thứ 1 theo đơn vị chức năng là cao nhất 6.208,89 đồng/FU chủ yếu là do sản xuất phân Compost. Hạng mục ít mang lại kinh tế nhất là tại Ao lắng, ao sinh học thứ 2 do phải tốn 1 khoảng chi phí đầu tư nhưng là hạng mục trung gian để tạo ra các sản phẩm nên không tính nguồn thu lại được từ các hạng mục này. Bên cạnh đó, khí Biogas cũng mang lại ít giá trị kinh tế, tuy nhiên ở những vụ nuôi tiếp theo giá trị kinh tế sẽ tăng khi không tốn chi phí đầu tư, vận hành nhưng có thể tiếp tục sử dụng nguồn khí sinh học cho mục đích sinh hoạt.

Table 5 cho thấy các giải pháp tái sử dụng nước thải và bùn thải ao nuôi tôm tạo ra các sản phẩm có giá trị như cá (do tận dụng ao xử lý sinh học), phân Compost, khí sinh học. Nhìn chung, các giải pháp này mang lại lợi nhuận cho hộ dân, cụ thể với 1m nước được tái sử dụng người dân được hưởng lợi 32,22 đồng và 1kg phân Compost người dân được hưởng lợi 786,67 đồng.