Phế phụ phẩm rau quả

a) Phế thải từ trái cây: Trong quá trình thu hoạch và chế biến các loại quả có múi (cam, quýt, chanh, bưởi) thì vỏ ngoài, cùi trắng, bã loại ra khi ép và khi chà làm phế liệu. Phế thải từ chuối thường từ chế biến mứt chuối, chuối khô và vỏ chiếm 30-40% khối lượng quả. Trong chế biến dứa phế thải gồm các dạng sau: (i) hai đầu quả loại ra khi cắt, chiếm 15-20% khối lượng quả; (ii) vỏ dứa, lõi dứa, mắt dứa, miếng vụn loại ra trong quá trình cắt gọt để làm đồ hộp dứa nước đường, dứa đông lạnh, dứa sấy nguyên dạng, chiếm 30-40%; (iii) bã dứa loại ra khi ép lấy dịch dứa, chiếm 20-40% khối lượng dứa đem ép.

Theo quyết định số 124/QĐ-TTg ngày 2/2/2012 được Thủ tướng phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển sản xuất ngành nông nghiệp đến năm 2020 và tầm nhìn đến 2030, tỉ lệ tổn thất sau thu hoạch hiện nay của lĩnh vực chế biến trung bình là 25%.

b) Phế phụ phẩm từ trồng trọt

Đối với lĩnh vực trồng rau tập trung, tùy vào từng mỗi một loại rau có qui trình thu hoạch riêng phụ thuộc rất nhiều vào phương thức tiêu thụ và người tiêu thụ (nông dân hay thương lái), nhưng khá đơn giản. Trong mỗi công đoạn đều có tỷ lệ PPP, điều kiện tự nhiên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến tỷ lệ PPP (trời mưa sẽ làm rau dập nát, khó bảo quản).

Theo kinh nghiệm từ hợp tác xã Văn Đức, Gia Lâm, Hà Nội thì tỷ lệ phần trăm PPP của hợp tác xã từ 20-25% sản lượng thu hoạch. Giải pháp chủ yếu tiêu thụ lượng PPP rau thường là làm thức ăn chăn nuôi cá, trâu bò và làm phân bón cho cây trồng như ủ làm phân xanh. 

Lựa chọn phương pháp xác định tiềm năng khí sinh học từ phế phụ phẩm rau quả cho điều kiện Việt Nam

Một số phương pháp xác định tiềm năng

Trong bã thải thì phần lớn năng lượng được sản xuất ra từ thành phần chất rắn bay hơi VS (volatile solid) bị phân hủy hoàn toàn, do vậy muốn xác định được tiềm năng sinh khí cần xác định được tỷ lệ phần trăm thành phần chất rắn bay hơi bị phân hủy hoàn toàn trong bã thải.

a) Phương pháp lý thuyết

Phương pháp thông dụng nhất được sử dụng nhiều trên thế giới để tính toán tiềm năng sản xuất KSH lý thuyết từ các loại bã thải là sử dụng công thức do các nhà khoa học Buswell và Mueller (1952), O’Rourke (1968), Boyle (1976) xây dựng và phát triển. Công thức này được dùng để ước lượng được lượng KSH sinh ra từ các chất hữu cơ có cấu trúc hóa học chung là CcHhOoNnSs. Công thức như sau:

CcHhOoNnSs+ 1/4(4c - h - 2o + 3n + 2s)H2O → 1/8(4c - h + 2o + 3n + 2s)CO2 + 1/8(4c + h - 2o - 3n - 2s)CH4 + nNH3 + sH2S

Công thức trên có thể được sử dụng để ước tính thành phần KSH nhưng không phải là thể tích khí được sản xuất ra. Vì vậy, để có thể tính toán được lượng KSH lý thuyết sinh ra thì cần phải sử dụng thành phần Cacbon trong các loại bã thải kết hợp cùng với công thức này.

b) Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm thường được sử dụng để xác định chính xác lượng KSH từ các loại bã thải nói chung và bã thải rau quả nói riêng. Việc đánh giá lượng KSH sinh ra bằng phương pháp thực nghiệm thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm với quy trình 3 bước là: (i) Bước 1: Phân tích mẫu bã thải; (ii) Bước 2: Xác định quy mô thí nghiệm; (iii) Bước 3: Thực hiện quy trình thí nghiệm để xác định được các thông số tối ưu sau: Tỷ lệ thành phần bã thải; Chủng vi khuẩn; Thời gian phân hủy; Nhiệt độ môi trường; Độ pH…

Từ các kết quả thực nghiệm, trên thế giới đã có các dự án, đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quy mô trung bình để xử lý PPP rau quả, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sản xuất KSH được triển khai.

c) Phương pháp dự báo

Trong nhiều kết quả nghiên cứu được báo cáo, sản lượng KSH cuối cùng (B0) của PPP rau quả được tính toán dựa vào thí nghiệm xác định tiềm năng khí methane (CH4) thu được. Tốc độ và mức độ biến chất là hàm số giữa đặc tính bản chất của chất thải và loại vi sinh vật tương ứng. Tiềm năng khí CH4 của PPP rau quả thu được từ sự phân hủy các thành phần hữu cơ có trong PPP rau quả với lượng chủ yếu là Cacbon, protein và chất béo. Một vài mô hình thường được sử dụng mô tả quá trình lên men kỵ khí để dự báo thể tích CH4 sản xuất được như Chen và Hashimoto (Contois).

Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu mối quan hệ giữa thành phần hóa học, khả năng tiêu hóa và sản lượng KSH, sản lượng CH4 của một vài mẫu sinh khối. Tuy nhiên mối quan hệ giữa B0 và các thuộc tính hóa học của PPP rau quả vẫn chưa được sáng tỏ. Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp được áp dụng đó là phân tích thuộc tính hóa học của một vài thành phần có trong PPP rau quả để xác định mô hình hồi quy mối liên quan của B0 và các thành phần của chất nền và kiểm tra tính phù hợp của nó.

Dựa trên mẫu thử nghiệm được lấy từ thị trường rau quả, phế phẩm từ các nhà máy chế biến, các điều kiện tiêu chuẩn để thực hiện quá trình lên men kị khí, lượng KSH thu được được giả định tính theo công thức sau:

B = B0 (1-e-kt)

Trong đó B là sản lượng CH4 cộng dồn tại thời điểm t. B0 được giả định bằng B sau 100 ngày lên men.

Mô hình dự báo xác định B0

Do B0 phụ thuộc vào các thành phần như đã nói và không có công thức cụ thể tính toán theo các thành phần này, việc xác định B0 được thực hiện bằng mô hình phân tích hồi quy.

+ Hồi quy tuyến tính đơn giản

Phân tích hồi quy tuyến tính đơn giản cho thấy không tồn tại mối quan hệ giữa B0 của PPP rau quả với các thành phần thuộc tính đơn lẻ mà là sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố đồng thời. Để xác định mối liên hệ giữa B0 và các thành phần hóa học của PPP rau quả nói chung cần xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến.

+ Hồi quy tuyến tính đa biến

Theo kinh nghiệm và một số kết quả phân tích thực nghiệm để xác định mô hình hồi quy cho tất cả các loại PPP rau quả, biến được đưa vào phân tích bao gồm: ADF, L/ADF, N, A, C, L, C/ADF.

Bảng 3: Tham số mô hình hồi quy dự báo B0 từ các biến liên quan

Mô hình hồi quy thích hợp là mô hình có hệ số xác định bội R2 của các biến là lớn nhất. Theo kết quả tại bảng 3 chúng ta có 3 mô hình hồi quy phù hợp với R2=0,9 và các hệ số hồi quy như sau:

* Mô hình 1: B0 = 0.35 (0.06) + 0.38 (0.13) C - 1.11 (0.51) L + 0.15 (0.14) L/ADF - 0.49 (0.49) N - 3.17 (1.11) A

* Mô hình 2: B0 = 0.47 (0.08) + 0.02 (0.01) C/ADF - 1.77 (0.79) L - 3.64 (1.3) A + 0.19 (0.16) L/ADF

* Mô hình 3: B0 = 0.45 (0.11) + 0.35 (0.14) C - 0.32 (0.16) ADF - 0.18 (0.11) L/ADF - 0.41 (0.51) N - 3.4 (1.14) A

(Giá trị trong ngoặc là sai số tiêu chuẩn tương ứng với các biến).

Với 3 mô hình hồi quy đã xác định ở trên, việc dự báo B0 trở lên thuận lợi bằng cách phân tích các thành phần hóa học của chất thải đầu vào. Trên cơ sở áp dụng tính toán với một số loại dữ liệu PPP rau quả và kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình cho kết quả dự báo nằm trong khoảng sai số 20%. Do vậy với mức độ sai số này có thể sử dụng các mô hình này cho việc dự báo B0 với đầu vào là tất cả các loại PPP rau quả.

Về cơ bản PPP rau quả Việt Nam và thế giới nói chung đều có các thành phần hóa học tương tự ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả sinh khí trong cùng điều kiện kỹ thuật. Với mỗi loại chất thải rau củ quả khi có kết quả phân tích thành phần hóa học đều có thể xác định tiềm năng sinh KSH dựa vào công thức lý thuyết hoặc các kết quả thực nghiệm. Để đáp ứng mục tiêu tính toán tiềm năng KSH từ các loại PPP rau quả Việt Nam nói chung phù hợp nhất là sử dụng mô hình dự báo.

Nhìn chung tiềm năng sản xuất KSH từ nguồn PPP rau quả Việt Nam là tương đối lớn và ngày càng tăng theo thời gian, đặc biệt với công nghệ sản xuất và khai thác KSH ngày càng tiên tiến, hiệu suất cao, giá thành thiết bị giảm cũng là những nhân tố khẳng định tiềm năng kinh tế - kỹ thuật còn cao hơn nữa.

Tuy nhiên kết quả tính toán hiện tại là trên quy mô rộng, trung bình hóa trên phạm vi cả nước trong khi trên thực tế nguồn PPP rau quả vừa mang tính chất tập trung vừa phân tán (theo vùng miền, theo loại…), đa dạng về lượng và chất, Do vậy cần xem xét chi tiết khả năng thu gom, phân vùng nguyên liệu để xác định các quy mô khai thác hợp lý nguồn nguyên liệu này. Xa hơn nữa có thể xây dựng quy hoạch phát triển vùng trồng, khu chế biến xem xét tới việc quản lý, khai thác, sử dụng các nguồn PPP sản xuất KSH để cung cấp năng lượng tại chỗ phục vụ nhu cầu cục bộ cũng như quy mô công nghiệp theo điều kiện thực tế cho phép.