Ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản sinh khí sinh học (biogas) của phân lợn và chất lượng nước thải sau biogas

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM --- NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG CHẤT PHỤ GIA TỰ NHIÊN ĐẾN KHẢ NĂNG SẢN SINH KHÍ SINH HỌC BIOGAS CỦA PHÂN LỢN VÀ CHẤT LƯỢNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

-

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG CHẤT PHỤ GIA TỰ NHIÊN ĐẾN KHẢ NĂNG SẢN SINH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

CỦA PHÂN LỢN VÀ CHẤT LƯỢNG

NƯỚC THẢI SAU BIOGAS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

THÁI NGUYÊN - 2015

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

-

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG CHẤT PHỤ GIA TỰ NHIÊN ĐẾN KHẢ NĂNG SẢN SINH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

CỦA PHÂN LỢN VÀ CHẤT LƯỢNG

NƯỚC THẢI SAU BIOGAS

Chuyên ngành: Chăn nuôi

Mã số: 60.62.01.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Trần Thanh Vân

TS Phạm Hùng Cường

THÁI NGUYÊN - 2015

Luận văn được hoàn thành với sự trợ giúp kinh phí của:

Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi

Tối ưu hóa sản xuất khí sinh học thân thiện với môi trường từ phân gia súc nhằm giảm thiểu khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính - SUSANE II

Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014

Giám đốc dự án: PGS.TS Vũ Chí Cương

Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các tài liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, nguồn gốc rõ ràng và chưa có ai từng công bố trong bất

LỜI CÁM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: PGS.TS Trần Thanh Vân, người thầy hướng dẫn khoa học đã hết sức quan tâm và tận tình hướng dẫn em để có thể hoàn thành luận văn này;

Em xin chân thành cám ơn tới TS Phạm Hùng Cường đã tận tình hướng dẫn

em trong suốt quá trình làm đề tài và cán bộ, nhân viên của Viện Chăn Nuôi Quốc Gia,

đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại Viện;

Tôi cũng xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ, nghiên cứu viên và kỹ thuật viên của Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi

- Viện Chăn nuôi, đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài;

Em xin trân trọng cám ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, các thầy giáo, cô giáo Khoa Chăn nuôi thú y, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới lãnh đạo, bạn bè và đồng nghiệp đang công tác tại Viện Chăn nuôi Quốc gia; Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; nơi tôi đang làm việc, đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm việc, học tập và nghiên cứu khoa học tại cơ quan;

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình của tôi luôn bên cạnh động viên và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học./

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới và Việt Nam 3

1.1.1 Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam 3

1.2 Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn 5

1.3 Hiện trạng và dự báo về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam 6

1.4 Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn 9

1.4.1 Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun 9

1.4.2 Xử lý chất thải bằng dung dịch vi sinh vật hữu ích 9

1.4.3 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ phân hữu cơ 10

1.4.4 Xử lý chất thải bằng hệ thống hầm biogas 10

1.5 Sử dụng công nghệ khí sinh học để quản lý chất thải chăn nuôi lợn 10

1.5.1 Khái quát về công nghệ khí sinh học 10

1.5.2 Cơ sở lý thuyết của công nghệ sản xuất biogas 11

1.5.3 Những yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình sinh khí methane 12

1.5.4 Các công nghệ biogas phát triển ở Việt Nam 12

1.5.5 Một số biện pháp nâng cao khả năng xử lý bằng biogas 14

1.5.6 Đặc điểm và mục đích sử dụng chất thải sau biogas 15

1.6 Cơ sở khoa học của việc bổ sung một số chất phụ gia tự nhiên 17

1.6.1 Dịch dạ cỏ 17

1.6.2 Bùn ao tù 18

1.6.3 Nước thải sau biogas 19

1.7 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 19

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 19

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 20

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Thời gian, địa điểm nghiên cứu 23

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Sơ đồ nghiên cứu 23

2.5 Phương pháp nghiên cứu 24

2.5.1 Bố trí thí nghiệm 24

2.5.2 Lấy mẫu và bảo quản mẫu nước thải 26

2.5.3 Phương pháp phân tích mẫu nước thải 26

2.5.4 Phương pháp xác định thể tích khí biogas 26

2.5.5 Phương pháp xác định nồng độ khí methane và thành phần khí biogas 27

2.5.6 Phương pháp xử lý số liệu 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Khả năng sinh khí biogas khi bổ sung một số chất phụ gia khác nhau 28

3.2 Khả năng sinh khí methane khi bổ sung một số chất phụ gia khác nhau 30

3.3 Kết quả phân tích một số thành phần trong nước thải sau biogas 32

3.3.1 Nhiệt độ nước thải đầu vào và đầu ra 32

3.3.2 pH nước thải đầu vào và đầu ra 33

3.3.3 Vật chất khô nước thải đầu vào và đầu ra 34

3.3.4 Chất rắn dễ bay hơi nước thải đầu vào và đầu ra 35

3.3.5 Oxy hóa học nước thải đầu vào và đầu ra 36

3.3.6 Oxy sinh học nước thải đầu vào và đầu ra 37

3.3.7 Nitơ nước thải đầu vào và đầu ra 38

3.3.8 Phospho nước thải đầu vào và đầu ra 39

3.3.9 Coliform nước thải đầu vào và đầu ra 40

3.4 Tiềm năng sinh khí còn lại của nước thải sau biogas 42

3.4.1 Hàm lượng chất rắn dễ bay hơi của nước thải sau biogas 42

3.4.2 Tiềm năng sinh khí biogas và methane trong mùa đông và mùa hè 42

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 47

TÀI LIÊU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học BOD (Biological Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh học

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Số lượng lợn được nuôi trên thế giới 3

Bảng 1.2 Số lượng lợn được nuôi tại các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á 4

Bảng 1.3 Lượng dinh dưỡng có trong 1m3 chất thải* 5

Bảng 1.4 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn 6

Bảng 1.5 Một số thành phần trong chất thải sau biogas của một số loại phân 16

Bảng 1.6 Một số thành phần của dịch dạ cỏ của cừu ăn khẩu phần khác nhau 17

Bảng 2.1 Tỷ lệ phối trộn phân, nước tiểu, phụ gia và nước của các công thức 24

Bảng 3.1 Khả năng sinh khí biogas trong điều kiện mùa hè 28

Bảng 3.2 Khả năng sinh khí biogas trong điều kiện mùa đông 29

Bảng 3.3 Khả năng sinh khí methane trong điều kiện mùa hè 30

Bảng 3.4 Khả năng sinh khí methane trong điều kiện mùa đông 31

Bảng 3.5 Nhiệt độ nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè 32

Bảng 3.6 Nhiệt độ nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông 32

Bảng 3.7 pH nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè 33

Bảng 3.8 pH nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông 34

Bảng 3.9 Vật chất khô nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè 34

Bảng 3.10 Vật chất khô nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông 35

Bảng 3.11 Chất rắn dễ bay hơi nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (lít/kg) 35

Bảng 3.12 Chất rắn dễ bay hơi nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (lít/kg) 36

Bảng 3.13 Oxy hóa học nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) 36

Bảng 3.14 Oxy hóa học nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) 37

Bảng 3.15 Oxy sinh học nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) 38

Bảng 3.16 Oxy sinh học nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) 38

Bảng 3.17 Nitơ nước thả i trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) 39

Bảng 3.18 Nitơ nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) 39

Bảng 3.19 Phospho nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) 40

Bảng 3.20 Phospho nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) 40

Bảng 3.21 Coliform nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (1000 cfu/ml) 41

Bảng 3.22 Coliform nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (1000 cfu/ml) 41

Bảng 3.23 Kết quả phân tích chất rắn dễ bay hơi (%) của nước thải sau biogas 42

Bảng 3.24 Khả năng sinh khí biogas và methane mùa đông 43

Bảng 3.25 Khả năng sinh khí biogas và methane mùa hè 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Diễn biến số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam từ năm 2009 đến 2013 4

Hình 1.2 Lượng CO2 phát thải từ sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam năm 2011 và dự báo đến năm 2030 [30] 7

Hình 1.3 Phát thải khí CO2 từ khâu quản lý chất thải của một số động vật nuôi tại Việt Nam năm 2012 [30] 8

Hình 1.4 Phát thải khí CO2 từ quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 và 2050 [30] 8

Hình 1.5 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí methane 11

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 1 23

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 2 24

Hình 3.1 Đồ thị tích lũy biogas mùa đông (ml) 43

Hình 3.2 Đồ thị tích lũy biogas mùa đông (ml/g VS) 43

Hình 3.3 Đồ thị tích lũy CH4 mùa đông (ml) 44

Hình 3.4 Đồ thị tích lũy CH4 mùa đông (ml/g VS) 44

Hình 3.5 Đồ thị tích lũy biogas mùa hè (ml) 45

Hình 3.6 Đồ thị tích lũy biogas mùa hè (ml/gVS) 45

Hình 3.7 Đồ thị tích lũy CH4 mùa hè (ml) 46

Hình 3.8 Đồ thị tích lũy CH4 mùa hè 46

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Một trong những thách thức quan trọng nhất mà thế giới của chúng ta sẽ phải đối mặt trong tương lai gần đó là nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng nhiều cho sinh hoạt và hoạt động sản xuất Điều đó đã gây ra sức ép rất lớn đến chất lượng môi trường sống và đòi hỏi con người tìm ra những nguồn năng lượng có khả năng tái tạo mang tính bền vững và thân thiện với môi trường Một nguồn nguyên liệu sẵn có lại rẻ tiền mà từ đó chúng ta có thể tạo ra năng lượng để đáp ứng cho nhu cầu trong tương lai

là xử lý yếm khí sinh khối (ví dụ như chất thải của gia súc) để tạo ra khí đốt sinh học

Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học (biogas)

là một giải pháp chủ yếu để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả ở các vùng nông thôn Nhu cầu sử dụng công nghệ biogas cho các hộ gia đình nông dân là rất cao Theo số liệu thống kê năm

2012 thì Việt Nam có trên 26,4 triệu con lợn và lượng phát thải từ phân lợn tính theo khối lượng CO2 tương đương là hơn 3500 tấn (Food and Agricultual Organization of the United Nations (2014) [30]) Vì thế việc quản lý chất thải từ chăn nuôi lợn cần có một giải pháp tổng thể trong đó xây dựng hệ thống biogas là một giải pháp xử lý tốt nhất và hiệu quả nhất Tuy nhiên trong thực tế quá trình vận hành và sử dụng hệ thống biogas đã gặp phải không ít khó khăn nên sau quá trình xử lý này một số thành phần gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức rất cao (Vũ Thị Khánh Vân và cs., (2013) [19]; Thien Thu và cs., (2012) [54])

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về giải pháp làm tăng khả năng xử lý chất thải hữu cơ trong bể biogas được công bố, tiêu biểu như: xử lý nguyên liệu trước khi nạp vào bể (Günther Bochmann (2013) [35]); tối ưu hóa quá trình xử lý (Shanmugam

và cs., (2009) [52]); bổ sung một số chất phụ gia (Yu Gu và cs., (2014) [60]) Cùng với đó là những nghiên cứu sử dụng nước thải sau biogas để làm phân bón (Alburquerque và cs., (2012) [21]); nuôi tảo tạo sinh khối (Mason Erkelens và cs., (2014) [43]); chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản (Marianna Garfí và cs., (2011) [41]) Tuy vậy việc nghiên cứu bổ sung vi sinh vật sinh khí methane có nguồn gốc tự nhiên vào bể biogas cũng như xác định tiềm năng sản sinh khí sinh học còn lại của chất thải sau biogas vẫn chưa có tài liệu nào được công bố Xuất phát từ đó, chúng tôi tiến hành

thực hiện đề tài: Ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản

sinh khí sinh học (biogas) của phân lợn và chất lượng nước thải sau biogas

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản sinh khí sinh học (biogas) của phân lợn

- Nghiên cứu xác định tiềm năng sản sinh khí sinh học còn lại của chất thải sau biogas (digestate) của phân lợn được bổ sung các chất phụ gia tự nhiên

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đây là một nghiên cứu có hệ thống hoàn chỉnh lần đầu tiên được triển khai ở Việt Nam với mục tiêu tìm ra giải pháp khoa học và công nghệ phù hợp nhằm nâng cao năng suất sinh khí biogas và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở các cơ sở chăn nuôi lợn công nghiệp Kết quả nghiên cứu là tài liệu khoa học có giá trị giúp cho công tác nghiên cứu và giảng dạy sau này

Kết quả đề tài góp phần thúc đẩy việc phát triển chăn nuôi sạch trong nước, có sức cạnh tranh với các sản phẩm nước ngoài, giảm thiểu tác động đến môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1.1 Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới

Cùng với đà tăng dân số trên toàn cầu nên nhu cầu thực phẩm cung cấp cho cuộc sống hàng ngày của con người cũng tăng lên Trong đó lợn là loài vật nuôi cung cấp sản phẩm thịt chủ yếu, ngoài việc tăng năng suất thì số lượng lợn được nuôi cũng không ngừng được tăng lên Số lượng lợn được nuôi trên thế giới phân theo các khu vực trong giai đoạn 5 năm trở lại đây, từ 2009 đến 2013, được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Số lượng lợn được nuôi trên thế giới

Khu vực

Năm

Thế giới 940664638 973065753 967973596 969882338 977020798 Châu Phi 29650523 31520900 32754822 34157129 35098077 Châu Mỹ 160707152 162936468 165761961 165864509 164464254 Châu Á 557657633 584092285 576533805 580601443 588225048 Châu Âu 187346928 189164194 187531206 183974633 184051948 Châu Đại

(Nguồn: Food and Agricultual Organization of the United Nations (2014) [30])

Tính đến năm 2013, số lượng lợn được nuôi trên thế giới đã đạt mức xấp xỉ 1

tỷ con Châu Á là vùng có số lượng lợn được nuôi nhiều nhất sau đó đến Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Phi và Châu Đại Dương Số lượng lợn tại Châu Á và Châu Phi không ngừng tăng lên trong khi tại Châu Mỹ, Châu Âu có xu hướng ổn định thậm chí số lượng lợn còn giảm đi ở Châu Đại Dương Với tổng số trên 588 triệu con lợn, Châu Á là vùng chiếm hơn một nửa số lượng lợn được nuôi trên toàn thế giới

1.1.2 Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam

Chăn nuôi đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống sản xuất nông nghiệp của Việt Nam, hàng năm đóng góp trên 25% tổng giá trị toàn ngành nông nghiệp

Từ lâu nghề chăn nuôi lợn đã gắn bó với đời sống của người nông dân nước ta và tỷ

trọng giá trị của chăn nuôi lợn chiếm 78% của ngành chăn nuôi năm 2010 Thống

kê từ năm 2009 đến năm 2013, số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam có xu hướng giảm xuống (hình 1.1) Nguyên nhân một phần do giá cả trên thị trường không có lợi cho người chăn nuôi và dịch bệnh trên đàn lợn có diễn biến phức tạp

Hình 1.1 Diễn biến số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam từ năm 2009 đến 2013 Bảng 1.2 Số lượng lợn được nuôi tại các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á

Mặc dù số lượng lợn được nuôi đã giảm trong 5 năm trở lại đây nhưng Việt Nam vẫn là quốc gia có đàn lợn nhiều nhất trong khu vực Đông Nam Á (bảng 1.2) Năm 2013, nước ta có số lượng lợn chiếm gần 1/3 so với tổng số lợn của khu vực Đây vừa là một lợi thế tiềm năng cung cấp sản phẩm từ lợn cho các quốc gia xung quanh nhưng đồng thời cũng tạo ra sức ép to lớn đối với môi trường sinh thái trong việc đảm bảo phát triển chăn nuôi lợn bền vững

1.2 Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn

Theo ước tính của Ủy ban Châu Âu (European Communities (2010) [28]), một lợn nái và các thế hệ con của chúng sẽ thải ra 87 kg N/năm; trong 1m3 phân lợn

có chứa 4,2 kg N tổng số, 0,8 kg phospho tổng số và 2,2 kg kali tổng số (Bảng 1.3)

Vì thế, trong một năm mỗi lợn nái và thế hệ con của chúng sẽ thải ra 20,7m3phân/năm Theo ước tính của Tổ chức Nông Lương thế giới (FAO) [30], mỗi năm ngành chăn nuôi lợn của Việt Nam thải ra ngoài môi trường xấp xỉ 110.000 tấn

N Với một nguồn chất thải lớn như vậy nếu như không được xử lý phù hợp sẽ gây

ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

(kg)

Phospho tổng số

(kg)

Kali tổng số (kg)

(Nguồn: EUROPEAN COMMUNITIES (2010)[28])

Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn được tóm lược trong bảng 1.4 Tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể mà một số thành phần sẽ biến động ít hay nhiều Chất rắn tổng số dao động trong phạm vi từ 1% đến 10%, với hàm lượng cao các acid béo dễ bay hơi, nitơ tổng số, nitơ ammonia, phospho, kali và COD Giá trị pH của chất thải chăn nuôi lợn trung bình là 7.5

Bảng 1.4 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn

Nhu cầu oxy sinh học 5 ngày (BOD5), mg/l 1112 ~ 74700

(Nguồn: Martínez-Suller L., Azzellino A., Provolo G.(2008) [42]

Massé D.I.,Croteau F., Masse L (2007) [44])

Hiện nay tình trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi nói chung và chăn nuôi lợn nói riêng gây ra ở nước ta đang ngày một tăng ở mức báo động vì ngành chăn nuôi hiện đang tạo ra lượng chất thải rất lớn, hàng triệu tấn mỗi năm Trong khi đó, công tác quản lý môi trường chăn nuôi còn nhiều bất cập, tiêu biểu là ở các mặt sau:

- Việc xử lý chất thải chăn nuôi không triệt để

- Quản lý từ đầu nguồn đến hết quy trình chăn nuôi chưa kiểm soát triệt để vấn đề phát thải: từ khâu quy hoạch, kỹ thuật xây dựng, nuôi dưỡng, thu hoạch, giết

mổ, chế biến, vận chuyển lưu thông, bảo quản còn chưa tập trung đúng mức đến quản lý môi trường

- Hệ thống thể chế, chính sách chưa đủ, thiếu đồng bộ, ứng dụng trực tiếp vào chăn nuôi còn nhiều khó khăn

- Công tác nghiên cứu khoa học, hợp tác chưa phát huy được thế mạnh Nhiều báo cáo nghiên cứu đều đã khẳng định là hầu hết các chất thải trong chăn nuôi đều chưa được xử lý trước khi thải ra môi trường Số phân không được

xử lý và tái sử dụng lại là nguồn cung cấp phần lớn các khí nhà kính (chủ yếu là

CH4, CO2 và N2O) làm trái đất nóng lên, ngoài ra còn làm rối loạn độ phì của đất, gây

phì dưỡng, ô nhiễm đất và ô nhiễm nước Chưa kể nguồn khí thải CO2 phát tán do hơi thở của vật nuôi

Ô nhiễm do chăn nuôi đặc biệt là chăn nuôi lợn không chỉ làm hôi tanh không khí mà còn ảnh hưởng nặng tới môi trường sống dân cư, nguồn nước và tài nguyên đất ảnh hưởng chính đến kết quả sản xuất chăn nuôi Các hoạt động gây ô nhiễm do chăn nuôi vẫn đang tiếp tục diễn ra ở nhiều nơi trên cả nước Phương pháp xử lý chất thải rắn còn đơn giản: chủ yếu được tận dụng làm thức ăn cho cá (phân lợn), ủ bán phân hoai mục bón lúa, hoa màu (phân lợn, trâu, bò, gia cầm), nuôi giun song số lượng không nhiều (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2013) [2])

Trong những năm qua, Việt Nam đang tích cực chuyển đổi dần tỷ trọng trong nông nghiệp theo hướng tăng dần tỷ trọng chăn nuôi nên vấn đề môi trường trong chăn nuôi sẽ ngày càng trở nên bức thiết cần phải có những chiến lược nghiên cứu

và quản lý phù hợp Theo ước tính của FAO năm (2011) [30], lượng CO2 phát thải

từ một số hoạt động chính trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam là hơn 58.000 tấn và dự báo đến năm 2030 con số này sẽ lên đến trên 70.000 tấn Trong đó các hoạt động từ chăn nuôi đóng góp từ hơn 18.000 tấn vào năm 2011 (chiếm 31,03%)

dự báo sẽ đạt tới gần 29.300 tấn (chiếm 41,86%) vào năm 2030 (Hình 1.2)

và dự báo đến năm 2030 [30]

Chỉ tính lượng CO2 phát thải từ khâu quản lý chất thải của một số loại động vật nuôi chính tại Việt Nam năm 2012 thì chất thải từ lợn có mức đóng góp cao nhất, trên 3500 tấn/năm, chiếm 62,6 % tổng lượng CO2 phát thải từ quản lý phân trong chăn nuôi Riêng đối với chất thải từ chăn nuôi lợn, từ năm 2009 đến

2013, số lượng lợn được nuôi có giảm đi nên lượng CO2 phát thải cũng giảm xuống Năm 2012 hoạt động quản lý chất thải từ chăn nuôi lợn đã thải ra hơn

3500 tấn CO2, dự báo con số này sẽ là 4300 tấn vào năm 2030 và trên 4700 tấn vào năm 2050 (Hình 1.3)

tại Việt Nam năm 2012 [30]

trong giai đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 và 2050 [30]

1.4 Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn

1.4.1. Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun

Giun đất là nguồn thức ăn gia súc rất tốt với hàm lượng protein thô chiếm 70% trọng lượng khô Hơn nữa, giun đất có thể xử lý chất thải hữu cơ, phân gà, phân lợn, phân bò và chuyển hóa thành phân bón hữu cơ có chất lượng, và bằng cách đó, cải thiện môi trường sinh thái các vùng nông thôn Thậm chí, phân của giun đất cũng có thể dùng để xử lý nước thải Giun đất cũng cung cấp nguyên vật liệu thô tốt nhất cho công nghiệp Một số enzyme và hoạt chất được chiết xuất từ giun đất để làm thuốc, thức ăn, mỹ phẩm Sản phẩm thừa và xác chết còn lại góp phần cải tạo, phục hồi đất Giun đất là một nhà máy sản xuất hoá chất tự nhiên mà chúng ta phải quan tâm, bảo vệ

Giun quế (Perrionyx excavatus), thường sống trong môi trường có nhiều

chất hữu cơ đang phân hủy Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc chuyển hóa chất thải, cứ 1000 giun đất với các thế hệ nối tiếp có thể tiêu thụ hết 1000kg rác phế thải/1 năm (Nguyễn Xuân Giao (2008) [4]) Ngoài ra, giun cũng dùng để xử lý chất thải ở một số nước khác như: Canada, Mỹ, Úc, Nhật Giun từng được coi như “thợ cày nguyên thủy”, làm tơi xốp đất, thoáng khí, giữ độ ẩm tốt, ở mật độ

200 con/m2 trong một năm chúng cày xới 80 tấn đất mặt/ha Giun được nuôi nhiều trên thế giới như: Ấn Độ, Úc, Phillipines Hiện nay, theo các chuyên gia, nuôi trùn quế có 4 tác dụng:

- Giải quyết môi trường tốt hơn, tác dụng xử lý chất thải

- Thợ cày giúp đất thông thoáng

- Cung cấp phân trùn (phân hữu cơ vi sinh)

- Cung cấp đạm làm thức ăn cho gia súc gia cầm, kể cả thức ăn cho thủy sản

1.4.2 Xử lý chất thải bằng dung dịch vi sinh vật hữu ích

Thông thường những vi sinh vật hữu ích trên sử dụng những chất thải như

NH3 (mùi khai), H2S (mùi thối) và những sản phẩm hữu cơ trung gian gây ô nhiễm môi trường Thông thường, người chăn nuôi lợn định kỳ xịt hàng tuần sau khi vệ sinh hàng ngày góp phần tích cực làm giảm mùi hôi một cách đáng kể và góp phần tích cực làm sạch nước (độ trong của nước tăng lên) Ngoài ra, việc sử dụng những cây như lục bình, bèo, cỏ vetiver thả hay trồng ao xử lý nước góp phần tích cực làm sạch môi trường nước

1.4.3 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ phân hữu cơ

Tất cả phân gia súc gia cầm đều được thu dọn chứa trong khu vực xử lý, sau khi đủ lượng phân tiến hành xây đống phân ủ oai, có thể thực hiện theo hai phương pháp ủ nóng hay ủ nguội Phương pháp ủ nguội phân chuồng được nén chặt xen kẽ chất độn chuồng với độ ẩm 70%, sau đó dùng đất hay nylon che phủ cả đống phân, sau 6-8 tháng phân đã oai mục hoàn toàn, còn phương pháp ủ nóng như việc ủ nguội nhưng không cần nén chặt đống phân và định kỳ 2 tháng dùng dụng cụ xáo đống phân lại, cứ làm như thế khoảng 2 lần là phân oai mục, 4-6 tháng phân hoai mục Khu vực ủ phân phải kín và nếu đặt trong nhà thì phải có ống thoát hơi ở trên nóc để hạn chế mùi hôi phát tán

1.4.4 Xử lý chất thải bằng hệ thống hầm biogas

Về nguyên lý, biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra từ chất thải động vật và xác động thực vật (gọi là chất hữu cơ) bị lên men trong điều kiện yếm khí Vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ và khí được sinh ra Biogas là hỗn hợp các khí methane (CH4), carbonic (CO2), nitơ (N2) và sulfua hydro (H2S) Thành phần chủ yếu là khí methane (60-70%), khí này đốt cháy được, 1m3 khí với mức

6000 calo có thể tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng hay 2,2 kWh điện Có thể nói rằng, biogas sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai nhằm giải quyết chất đốt sinh hoạt, bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng dân

cư Khí sinh học biogas còn được sử dụng cho đèn thắp sáng, lò sấy, máy sấy, đèn sưởi, bình nước nóng, tủ lạnh chạy bằng gas, chạy máy phát điện… Các chất bã cặn thải của hệ thống biogas là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng cho cây trồng, thay thế một lượng lớn phân hóa học Điều quan trọng là phân gia súc sau khi bị lên men yếm khí đã loại trừ được các vi khuẩn gây hại cho con người, động vật Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học (biogas) là một giải pháp để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, nguồn năng lượng rất hiệu quả ở nông thôn nước ta

1.5.1 Khái quát về công nghệ khí sinh học

Công nghệ khí sinh học (công nghệ biogas) là quá trình ủ phân rác, phân hữu

cơ, bùn cống rãnh để tạo ra khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất khí sinh học là ao bùn, phế liệu, phế thải trong sản xuất nông lâm nghiệp và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến nông lâm sản Phân động vật và các chất thải rắn như rơm, rạ rất thích hợp cho lên men yếm khí Vi sinh vật thường hay sử dụng nguồn hữu cơ carbon nhanh hơn sử

dụng nitơ khoảng 30 lần Do vậy nguyên liệu có tỷ lệ C/N là 30/1 sẽ thích hợp nhất cho lên men yếm khí

Khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí

Đặc tính khí sinh học

Khí sinh học có trọng lượng riêng khoảng 0,9 - 0,94 kg/m3 trọng lượng riêng này thay đổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm một lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho người

và làm hư hỏng dụng cụ đun nấu Mùi hôi của chất này giúp xác định nơi hư hỏng của hệ thống để sữa chữa

Khí sinh học có tính dễ cháy khi được hòa lẫn nó với tỷ lệ từ 6 đến 25% trong không khí Nếu hỗn hợp khí CH4 chỉ chiếm 60% thì 1m3 cần 8m3 không khí Trong thực tế, khí biogas (KSH) cháy tốt trong không khí khi được hòa lẫn ở tỉ lệ là 1/9 - 1/10

1.5.2 Cơ sở lý thuyết của công nghệ sản xuất biogas

Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men yếm khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2, trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu

Hình 1.5 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí methane

1.5.3 Những yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình sinh khí methane

- Nhiệt độ: quy mô nhỏ thực hiện ở 30 - 35oC, quy mô lớn có cơ khí hóa và

tự động hóa thực hiện ở 50 - 55oC

- Độ pH 6,5 - 7,5 (nếu < 6,5 thì vi khuẩn giảm sinh trưởng và phát triển)

- Tỷ lệ carbon/nitơ = 30/1 là tốt nhất

- Tỷ lệ pha loãng: tỷ lệ nước/phân dao động từ 1/1 đến 7/1

- Sự có mặt của không khí và độc tố: tuyệt đối không có oxy Các ion NH4+,

K+, Ca2+, Zn2+, SO42- ở nồng độ cao có ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của

vi khuẩn sinh khí methane

- Tốc độ bổ sung nguyên liệu: bổ sung đều đặn thì sản lượng khí thu được sẽ cao

- Khuấy đảo môi trường lên men: tăng cường tiếp xúc cơ chất

- Thời gian lên men: 30 - 60 ngày

1.5.4 Các công nghệ biogas phát triển ở Việt Nam

1.5.4.1 Hầm biogas nắp cố định hình vòm hoặc phẳng

Đây là loại hầm thông dụng và được nghiên cứu rộng rãi từ Trung Quốc và sau đó ở nhiều nơi khác cho tới nay (Luong và cs., (2002) [39]) Được xây lắp từ gạch và xi măng, hầm có cấu trúc vững và độ bền cao, biogas sinh ra có áp suất cao Tuy nhiên nhược điểm chủ yếu là cần phải có kỹ thuật viên có tay nghề cao để xây dựng và bảo trì Giá thành khá cao, xây lắp khá cao cũng là một giới hạn của công nghệ này

Trong những năm vừa qua, công nghệ loại này phát triển chủ yếu là loại hầm xây gạch nắp vòm hay bán cầu Thể tích hầm thường biến động từ 5 đến 30 m3 Do

có chương trình phát triển được nước ngoài tài trợ nên đang được phát triển trên nhiều tỉnh phía nam Lực lượng thợ xây hầm đa số được tập huấn và rèn luyện qua các lớp tập huấn do các dự án tài trợ Tuy vậy, nhiều cơ sở thiết kế xây lắp còn chưa được tập huấn, chủ yếu do kinh nghiệm làm lâu năm Số hầm xây có tỷ lệ sử dụng còn khá thấp do chưa có chính sách hậu mãi tốt và màng lưới công nhân kỹ thuật sửa chữa chưa đều khắp Chủ yếu hầm xây phục vụ cho các chăn nuôi gia đình hay trại chăn nuôi nhỏ và vừa Một số doanh nghiệp đã hình thành để cung cấp dịch vụ xây loại hầm ủ này

1.5.4.2 Hầm biogas nắp nổi

Xuất xứ từ Ấn Độ, loại hầm này có cấu trúc gọn, chiếm ít diện tích xây dựng nhưng do giá thành cao hơn hẳn các loại hầm khác nên số lượng lắp đặt khá khiêm tốn Ngoài ra, chất lượng của nắp nổi cũng là một vấn đề cần quan tâm Loại hầm này được một số cơ sở thiết kế và xây dựng nhưng với số lượng ít

1.5.4.3 Túi biogas bằng nhựa dẻo Polyethylene

Vấn đề quan trọng nhất trong các chương trình biogas ở các nước đang phát triển chính là giá thành của hầm ủ Trước đây giá một hầm ủ xây bằng xi măng cho một gia đình chăn nuôi quy mô nhỏ biến động trong vòng 5-10 triệu Giá này là một trở ngại cho hầu hết các tiểu nông Với chi phí chỉ bằng 1/4-1/5 giá hầm xây, túi ủ bằng polyethylene trở nên rất hấp dẫn cho người sử dụng ở Việt Nam Một điểm hết sức thuận lợi là túi ủ có thể lắp nổi trên mặt nước, rất thích hợp cho những vùng ngập nước, vùng có mùa nước nổi như các tỉnh ở Đồng bằng sông Cửu Long

Được nghiên cứu và phát triển từ những năm đầu 1990, công nghệ túi biogas nhựa dẻo đã phát triển nhanh và khá bền vững trong điều kiện tự nhiên và xã hội ở các tỉnh phía nam Do công nghệ đơn giản, nhiều người dân có thể tự lắp đặt nên chỉ tốn công mua vật tư làm túi Tuy chưa có một khảo sát chính thức, nhưng nó đã góp phần không nhỏ vào việc sản xuất một khối lượng gas đáng kể phục vụ đồng bào ở nông thôn và hạn chế khá tốt khả năng gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí ở các khu vực dân cư có chăn nuôi Tuy vậy, do nhiều điều kiện khác nhau, công nghệ túi nhựa không phát triển ở khu vực phía bắc (Luong và cs., (2002) [39])

1.5.4.4 Hầm ủ ống nằm ngang bằng bê tông và bằng composite

Nhằm đa dạng hoá các sản phẩm hầm biogas, gần đây Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Bách Khoa tại thành phố Hồ Chí Minh và một số đơn vị khác đã thử nghiệm loại hầm biogas ống nằm ngang bằng bê tông và bằng vật liệu composite với ưu điểm:

- Giá thành vừa phải,

- Kỹ thuật lắp đặt đơn giản,

- Vận hành thuận tiện, ít phải bảo trì, sửa chữa,

- Có thể chuyển đổi vị trí hầm ủ

Loại hầm này cũng đã phát triển tốt ở một số tỉnh miền nam như Bến Tre, Long An, Tiền Giang Tuy nhiên, cần có một số nghiên cứu phát triển để các công

nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trong điều kiện của các cơ sở sản xuất trong các vùng khác nhau Sự liên kết giữa các cơ quan nghiên cứu và các doanh nghiệp chiếm vai trò hết sức quan trọng cho sự phát triển này

1.5.4.5 Hầm biogas phủ bạt nhựa HDPE

Đa số các công nghệ biogas vừa nêu trên đây chủ yếu thích hợp cho các cơ

sở sản xuất nhỏ và vừa với số lượng chất thải ít Ngày nay, xu hướng chăn nuôi tập trung đang có xu hướng phát triển mạnh, nhất là quanh khu vực kinh tế trọng điểm Nhiều cơ sở chăn nuôi lớn đã sử dụng các lọai nhựa dẻo như HDPE làm tấm bạt phủ trên hố chứa phân và nước thải (còn gọi là công nghệ CIGAR: Covered In-Ground Anaerobic Reactor) để thu hồi biogas và giảm ô nhiễm môi trường Những kết quả đã công bố cho thấy có rất nhiều triển vọng đặc biệt cho các trang trại với số đầu gia súc lớn Các loại nhựa này có tuổi thọ và độ bền cao (10-15 năm), mặc dù đầu tư tốn kém, nhưng giá thành tính trên đơn vị thể tích hố ga thì lại rất rẻ Ngoài

ra, khi sử dụng công nghệ biogas phủ bạt nhựa HDPE thì có thể sử dụng nguồn biogas sinh ra này cho mục đích phát điện và nhiên liệu giao thông Tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay việc sử dụng cho mục đích phát điện còn nhiều hạn chế do máy phát điện chạy biogas được chế tạo lại từ các loại động cơ đã qua sử dụng (nếu nhập

từ nước ngoài sẽ rất đắt), tuy giá thành khá rẻ, nhưng chủ yếu là tuổi thọ của chúng không dài Trong khi dùng cho mục đích giao thông thì vẫn đang trong quá trình nghiên cứu

1.5.5 Một số biện pháp nâng cao khả năng xử lý bằng biogas

Tăng khả năng xử lý chất thải không những sẽ thu được sản lượng khí biogas nhiều hơn mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường của chất thải sau biogas Đã có nhiều biện pháp được nghiên cứu nhằm làm tăng khả năng xử lý như:

- Sử dụng thiết bị biogas liên hợp có khuấy trộn bên trong: với thời gian lưu đều là 15 ngày và có khuấy trộn, nếu lên men được tiến hành trong điều kiện ưa nhiệt bằng hệ thống 2 bể phản ứng thì sản lượng khí biogas sẽ cao hơn từ 11 - 16% so với lên men bằng một bể phản ứng Nồng độ acid béo dễ bay hơi (VFA) trong bể phản ứng đầu tiên cao nhưng ở bể phản ứng thứ hai nồng độ sẽ thấp hơn Kết quả là giá trị pH trong hai bể sẽ khác nhau và thích hợp cho loại vi khuẩn của từng giai đoạn phản ứng (Boe và cs., (2009) [24])

- Sử dụng chất thải sau biogas để phối trộn với nguyên liệu hữu cơ (phân gia súc, sinh khối thực vật ): đây là quá trình quay vòng và tái sử dụng chính nguồn vi khuẩn lên men yếm khí sẵn có trong bể phản ứng nhằm đẩy nhanh quá trình xử lý Kết quả nghiên

cứu cho thấy làm tăng sản lượng methane tối thiểu từ 1,3 - 12,5% tùy theo tỷ lệ, đồng thời sản lượng biogas tăng trung bình là 7% Với nguyên liệu là phân gia súc, tỷ lệ phối trộn trong điều kiện lên men ở 55°C là 40/60 (chất thải sau biogas/nguyên liệu đầu vào) trong thời gian là 30 phút cho kết quả tốt (Prasad Kaparaju và cs., (2008) [50])

- Xử lý phân trước khi nạp vào bể phản ứng: sản lượng sinh khí biogas của phân lỏng thường đạt thấp và không mang lại hiệu quả kinh tế Do vậy người ta thường bổ sung thêm phân rắn được tách từ pha rắn-lỏng Sản lượng sinh khí biogas tăng dần lên cùng với tỷ lệ phân rắn được bổ sung so với chỉ có phân lỏng Nếu tăng tỷ lệ này lên 60% thì sản lượng khí biogas tăng gấp đôi Tuy nhiên sản lượng khí methane khi

bổ sung hàm lượng phân rắn cao chỉ đạt 200 lít/kg VS trong khi đối với phân lỏng là

300 lít/kg VS trong điều kiện xử lý chất thải của lợn Nguyên nhân do sự kìm hãm của NH3, khi hàm lượng N-NH4 tăng quá 5g/l (Møller và cs., (2007) [46])

- Sử dụng chất bổ sung là vi khuẩn sinh khí methane: nhiều nghiên cứu đã cho thấy bổ sung nguồn vi khuẩn sinh khí methane có liên quan đến động học của quá trình sinh khí biogas từ phân gia súc Lượng khí methane được sinh ra dường như tương xứng với tỷ lệ ban đầu của phân gia súc và nguồn vi khuẩn bổ sung Một trong những nguồn vi khuẩn sinh khí methane tự nhiên được nghiên cứu nhiều đó là dịch dạ cỏ Tỷ lệ bổ sung dịch dạ cỏ tỷ lệ thuận với khả năng sinh khí biogas (Forster-Carneiro và cs., (2008) [31])

Ngoài ra để tăng sản lượng khí biogas người ta còn sử dụng một số biện pháp khác như: bổ sung thêm dinh dưỡng cho nhu cầu của vi khuẩn lên men yếm khí, tăng cường tiếp xúc giữa vi khuẩn và cơ chất bằng khuấy đảo, tăng cường phản ứng bằng cách cố định vi khuẩn lên trên một tấm màng, kiểm soát sự kìm hãm của ammonia (NH3)

1.5.6.1 Đặc điểm chất thải sau biogas

Chất thải sau biogas là phần còn lại của bể khí sinh học trong quá trình sản xuất khí sinh học (methane - CH4) để làm nhiên liệu (gas) đốt cháy phục vụ cho mục đích năng lượng Chất thải sau biogas gồm có 3 thành phần chính:

- Phần váng nằm trên mặt bể khí sinh học

- Phần nước lỏng

- Phần cặn bã còn lại dưới đáy bể

Phụ phẩm của bể khí sinh học là một loại phân hữu cơ có hàm lượng cao các

chất dinh dưỡng đa lượng, các nguyên tố trung vi lượng (Cu, Zn, Fe, Mn, ) Ngoài

ra còn có những tế bào mới được hình thành trong quá trình phân giải và tro Tuy

nhiên trong 3 thành phần trên thì phần lỏng là giàu dinh dưỡng nhất Do nguồn

nguyên liệu nạp vào bể là rất khác nhau tùy thuộc từng vùng, miền, phương thức

chăn nuôi, nên thành phần dinh dưỡng của chất thải sau biogas sẽ khác nhau

Bảng 1.5 Một số thành phần trong chất thải sau biogas của một số loại phân

Chất rắn tổng số

dễ bay hơi (TVS), g/kg

TVS/TS,

%

COD, g/kg DM

250 – 315

74 – 84

880 – 930

34 – 49

6,0 – 7,8 Chất thải

lỏng từ bò

sữa

89 – 97

69 – 76

76 – 89

910 – 1020

31 – 41

7,6 – 8,1

Chất thải

từ lợn

60 – 90

47 – 76

66 – 83

860 – 965

18 – 42

4,2 – 8,5

Chất thải

từ gà

467 – 688

197 – 530

72 – 87

751 – 1000

27 – 47

11,8 – 20,1

Chất thải

từ vịt

124 – 190

105 – 155

81 – 88

802 – 871

27 – 39

10,7 – 11,6

Chất thải

từ thỏ

192 – 255

154 – 213

80 – 84

803 – 970

19 – 21

8,0 – 10,7

(Nguồn: Cristina C (2013) [26]) 1.5.6.2 Sử dụng chất thải sau biogas

Quá trình yếm khí sẽ xử lý và thu hồi các thành phần carbon, hydro và oxy từ

các nguyên liệu nhưng các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, và K), phần lớn vẫn còn

trong nước thải sau biogas Chất dinh dưỡng có trong chất thải sau biogas cao hơn

so với chất thải hữu cơ không được xử lý Chất dinh dưỡng (NPK) được khoáng hóa

cho phép cây trồng nâng cao được khả năng hấp thu Có một dẫn chứng đã đưa ra là

cây trồng có khả năng hấp thụ N-NH (N vô cơ) trong chất thải sau biogas cao hơn

25%, chúng làm giảm vấn đề về mùi khoảng 80% (Odlare và cs., (2008) [49])

Việc sử dụng chất thải sau biogas cũng có lợi cho sự cân bằng mùn trong đất

Do đó nó có thể được sử dụng làm phân bón hoặc cải tạo đất trong nông nghiệp Quá trình sử dụng này cho phép tạo ra một chu trình dinh dưỡng và duy trì hoặc cải thiện cấu trúc đất nhờ áp dụng các chất hữu cơ trong chất thải sau biogas Việc sử dụng phụ thuộc vào chất lượng chất thải sau biogas cũng như nguồn gốc các loại nguyên liệu tạo ra chúng Đối với thiết bị xử lý yếm khí quy mô trang trại và thậm chí quy mô lớn thì việc sử dụng chất thải sau biogas có thể làm phân bón trực tiếp trên đất nông nghiệp mà không cần phải xử lý tiếp theo (Loria và cs., (2007) [38])

Để có được một sản phẩm chất lượng, có giá trị dinh dưỡng cao hơn, chất thải rắn sau biogas có thể được chế biến thành phân compost Nó sẽ đảm bảo phá vỡ hoàn toàn các thành phần hữu cơ cũng như phối trộn với thành phần nitơ khoáng giống như chất mùn điều đó sẽ giảm tổn thất nitơ Nên bổ sung thêm nguồn nitơ như một chất phụ gia kích thích để quá trình phân hủy được nhanh hơn

Ngoài việc sử dụng cho mục đích làm phân bón và cải tạo đất, chất thải sau biogas còn được sử dụng trong chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và một số mục đích khác

1.6.1 Dịch dạ cỏ

Bảng 1.6 Một số thành phần của dịch dạ cỏ của cừu ăn khẩu phần khác nhau

với urea

Cỏ khô xử lý với ammonia

Một nguồn vi khuẩn sinh khí methane sẵn có trong tự nhiên mà chúng ta có thể dễ dàng thu nhận được đó là từ dịch dạ cỏ của gia súc nhai lại Dịch dạ cỏ là một trong những phế thải của lò giết mổ gia súc và thường được thải loại vào hệ thống thoát nước Hình thức xả phế thải này có thể gây nguy hại cho môi trường đặc biệt

là sức khỏe của người dân xung quanh khu vực do phế thải có hàm lượng cao các vi sinh vật Tuy nhiên, dịch dạ cỏ có thể được sử dụng hữu ích như một tác nhân kích thích quá trình sản sinh khí biogas trong công nghệ lên men yếm khí vì trong hệ vi sinh vật của dịch dạ cỏ có những quần thể vi khuẩn phân giải cellulose và vi khuẩn sinh khí methane Dạ cỏ là một phần của hệ thống tiêu hóa ở gia súc nhai lại, nơi diễn ra quá trình lên men các thức ăn như: chất xơ, tinh bột, bởi vi sinh vật và thành phần của chúng sẽ biến đổi theo khẩu phần thức ăn của gia súc nhai lại

Ngoài ra, hệ vi sinh vật bao gồm:

- Vi khuẩn: được chia làm nhiều nhóm vi khuẩn có khả năng phân giải cellulose, hemicellulose, tinh bột, đường, protein…chúng có thể sử dụng được NH3.

xúc, do đó dễ bị tác động của vi sinh vật chúng không có khả năng sử dụng NH3.

- Nấm: Nấm là vi sinh vật đầu tiên xâm nhập, tiêu hóa thành phần cấu trúc thực vật bắt đầu từ bên trong bằng cách mọc chồi phá vỡ tế bào thực vật, mặt khác nấm cũng tiết ra các loại enzyme tiêu hóa chất xơ, làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật

Quá trình lên men trong dạ cỏ tương tự như quá trình sản sinh biogas trong bể phân hủy yếm khí Vì thế, nếu được bổ sung vào bể phân hủy, dịch dạ cỏ sẽ có vai trò quan trọng trong quá trình sinh khí biogas bằng cách đẩy nhanh quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ để tạo ra khí methane Tuy nhiên đôi khi quá trình phân giải nhanh này sẽ làm cho pH giảm xuống và gây bất lợi cho hệ vi khuẩn trong bể phân hủy Do vậy cần thiết phải có sự tính toán hàm lượng và tốc độ bổ sung hợp lý

1.6.2 Bùn ao tù

Bùn ao được tạo thành từ xác và sản phẩm trao đổi chất của rất nhiều loài động, thực vật và sinh vật thủy sinh khác nhau Tất cả những thành phần này mà chủ yếu là xác thực vật được tích tụ lại, được đất vùi lấp và chịu tác động của điều kiện ngập nước trong nhiều năm Với điều kiện phân huỷ yếm khí, các xác thực vật được vi khuẩn chuyển hóa thành dạng các chất mùn, khi khối lượng chất mùn tăng

lên thì tạo thành bùn Trong quá trình lên men yếm khí, các thành phần hữu cơ như cành cây, rơm rạ, cỏ dại vùi trong bùn ao tù chuyển hóa thông qua quá trình lên men, thối rữa và tạo ra khí biogas Cũng chính do quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ tích tụ ở đáy ao nên giá trị pH của bùn đáy ao thường hơi thấp Nguồn gốc của thành phần hữu cơ lắng đọng và tạo thành bùn ao gồm:

- Sự xói mòn và nước rửa trôi từ bờ ao

- Sự lắng đọng của các sinh vật kích thước nhỏ

- Thức ăn, chất thải của người và động vật

1.6.3 Nước thải sau biogas

Cũng giống như dịch dạ cỏ và bùn ao tù, bổ sung nước thải sau biogas thực chất là tái sử dụng nguồn vi sinh vật sinh khí methane nhằm đẩy nhanh quá trình phân giải và tạo nhiều khí biogas Ngoài ra việc quay vòng nước thải sau biogas cũng giúp tái xử lý lại nước thải trong trường hợp đầu ra của biogas chưa được xử lý hết Ưu điểm của việc bổ sung này là hệ vi khuẩn đã quen với môi trường trong bể phân hủy nên có sự thích nghi cao hơn so với hai chất bổ sung trên

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Những nghiên cứu về bổ sung nguồn vi khuẩn sinh khí methane vào bể biogas đã được tiến hành bởi nhiều nhà khoa học Các kết quả đã công bố cho thấy khi bổ sung dịch dạ cỏ vào bể biogas có tác dụng làm tăng lượng khí methane được sinh ra (Torres-Castillo và cs., (1995) [56]) Tỷ lệ bổ sung dịch dạ cỏ thuận chiều với sản lượng khí biogas được sinh ra (Hamed-Mashad và cs., (2006) [36]), đồng thời tỷ lệ nguyên liệu và dịch dạ cỏ có ảnh hưởng tới khả năng sinh khí biogas (Guangqing Liu và cs., (2009) [34]) Theo (Francesco Di Maria và cs., (2012) [32]),

nồng độ khí methane cao có mối tương quan với tỷ lệ bổ sung nước thải sau biogas Tiến hành lên men yếm khí rơm lúa mỳ (Xiaowei Peng và cs., (2012) [58]) cho biết nếu không bổ sung nước thải sau biogas thì sản lượng khí methane chỉ đạt 133-207

ml CH4/g VS trong khi đó nếu có bổ sung thì đạt cao hơn, 240-248 ml CH4/g VS

Nước thải sau biogas là một nguyên liệu giàu dinh dưỡng phù hợp cho các vi sinh vật có trong đất phát triển Sử dụng các chất thải sau biogas một cách phù hợp

là cách để duy trì độ màu mỡ cho đất Ngoài ra chúng còn có thể được sử dụng như phân bón Nghiên cứu của (Odlare và cs., (2008) [49]) đã công bố cho biết không phát hiện thấy sự thay đổi đáng kể về chỉ tiêu pH của đất sau 4 năm sử dụng chất thải sau biogas Tuy nhiên khi bón phân biogas, một điều đáng lưu ý là sự thất thoát Nitơ nhưng quá trình này có thể giảm thiểu nhờ hệ thống cây che phủ và sử dụng hợp lý cơ cấu cây trồng theo mùa vụ (Moller và cs., (2009) [47])

Theo Chowdhury (1999) [25] nước thải sau quá trình phân huỷ yếm khí các chất thải từ gia súc hay gia cầm đều có thể sử dụng được an toàn làm thức ăn bổ sung cho gia súc như một nguồn cung cấp protein khoáng đa vi lượng và các vitamin Dẫn kết quả nghiên cứu của (Zhang Mi và cs., (2006) [61]), tác giả cho biết bổ sung nước thải sau quá trình phân hủy yếm khí vào thức ăn của lợn kết quả cho tăng khối lượng cao hơn lô đối chứng và không gây ra tác động xấu đến sức khoẻ và chất lượng thịt, nâng cao được khả năng tăng khối lượng từ 14% đến 17%

và hiệu quả chuyển hoá thức ăn so với lô đối chứng

Trong những nghiên cứu của (Juerg và cs., (1998) [33]) về việc sử dụng nước thải biogas cho một hệ thống gồm nhiều khâu xử lý liên tiếp, nước thải sẽ lần lượt

đi qua hệ thống thực vật thủy sinh, vi tảo, động vật phù du, ao nuôi cá kết hợp, các loài thực vật khác Hàm lượng dinh dưỡng đi vào hệ thống ban đầu: N-NO3, N-

NH4+, tổng lần lượt là 670 mg/l, 150 mg/l, 95 mg/l Có đến 36% tổng đạm và 92% tổng phospho được chuyển hóa vào trong sản phẩm thu hoạch và đó là cách để loại trừ chúng ra khỏi nước Với lượng nước thải từ hầm ủ biogas khoảng 2,6m3/tuần cho 280m3 nước của toàn bộ hệ thống (thực vật 45m3, vi tảo 27m3, động vật phù du 86m3, thực vật tự nhiên 32m3) Năng suất có thể đạt 5500 kg/ha/năm

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cùng với sự phát triển của ngành chăn nuôi, việc phát triển, xây dựng các công trình khí sinh học để xử lý chất thải, sử dụng khí biogas và chất thải từ công

trình khí sinh học là nhằm hướng tới mục đích chăn nuôi bền vững Việc nghiên cứu nhằm tìm ra những biện pháp tận dụng nguồn sinh khối sẵn có và nâng cao khả năng sinh khí đã được tiến hành từ nhiều năm qua và đã đem lại những kết quả đáng

kể Việc bổ sung thêm những nguyên liệu giàu carbon sẽ làm cân bằng tỷ lệ C/N thích hợp cho việc sản sinh khí biogas của vi khuẩn Kết quả nghiên cứu của (Lâm Vĩnh Sơn và Nguyễn Trần Ngọc Phương (2011) [13]) đã công bố cho thấy nếu bổ sung bã mía vào hầm ủ biogas sẽ cho lượng khí biogas sinh ra có thành phần khí methane cao hơn từ 1-2%, lượng khí H2S giảm đi từ 2-3 lần so với không bổ sung Theo Nguyễn Võ Châu Ngân và cs., (2012) [10], sử dụng lục bình và rơm sau ủ nấm làm nguyên liệu bổ sung vào bể biogas cho kết quả sản lượng khí sinh ra tốt hơn so với chỉ nạp nguyên liệu là phân lợn So sánh khả năng sinh khí của mẻ ủ yếm khí bán liên tục với các nguyên liệu nạp khác nhau khi có và không có nấm

Trichoderma, (Nguyễn Võ Châu Ngân và cs., (2011) [11]) cho biết việc bổ sung

nấm Trichoderma với mục đích tăng hiệu quả xử lý lục bình trước khi đưa vào hầm

ủ đã không làm tăng năng suất sinh khí biogas so với việc không bổ sung nấm

Trichoderma Theo Trịnh Quang Tuyên và cs., (2009) [17] cho biết xử lý nước thải

chăn nuôi lợn bằng chế phẩm vi sinh vật hữu ích thứ cấp đã làm giảm một số chỉ tiêu gây ô nhiễm môi trường, nước thải sau khi được xử lý các chỉ tiêu COD, BOD5,

NO2-, NO3-, P tổng số, Colifoms đều nằm trong giới hạn cho phép của nước thải loại

B theo TCN 678-2006

Nước xả từ công trình khí sinh học cũng đã và đang được nghiên cứu ở nước

ta nhằm khai thác tối đa những lợi ích để sử dụng trong nhiều lĩnh vực và nhiều mục đích khác nhau như nguồn nước cung cấp nhiều dinh dưỡng cần thiết tưới cho cây trồng, làm thức ăn bổ sung trong chăn nuôi, nuôi tảo và dùng trong nuôi trồng thủy sản, (Hoàng Hương Giang và cs., (2004) [3]), đã thông báo nước thải sau biogas của quá trình xử lý phân lợn là nguồn dinh dưỡng tốt và đã cải thiện khả năng thu nhận thức ăn và tăng khối lượng của lợn khi trộn từ 1-2 lít nước xả/kg thức

ăn so với lô đối chứng; hơn nữa, sử dụng nước thải sau biogas không ảnh hưởng đến sức khoẻ của đàn lợn thí nghiệm cũng như chất lượng thịt Tuy nhiên phương pháp xử lý nước trước khi cho lợn sử dụng cũng như phương thức cho lợn sử dụng như thế nào để đem lại hiệu quả chăn nuôi cao thì ít được nghiên cứu rộng rãi Kết quả nghiên cứu của (Trần Thị Bích Ngọc và Lại Thị Nhài (2008) [12]), sử dụng nước thải sau biogas từ nguyên liệu nạp là phân lợn làm thức ăn bổ sung cho lợn

thịt bằng cách cho lợn uống tự do hay trộn vào với thức ăn đã cải thiện đáng kể đến khả năng tăng khối lượng (10 đến 17%) và hiệu quả chuyển hoá thức ăn (giảm 10 đến 11% tiêu tốn thức ăn/kg tăng khối lượng), mà không ảnh hưởng đến sức khoẻ của đàn lợn cũng như sự tồn dư kim loại nặng trong thịt nằm trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép

Tóm lại, việc nghiên cứu làm tăng sản lượng khí biogas và sử dụng nước thải sau biogas đã được tiến hành Các nghiên cứu đã mang lại những kết quả quan trọng góp phần tối ưu hóa việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas Tuy nhiên nghiên cứu bổ sung vi khuẩn sinh khí methane vào bể phân hủy biogas và tiềm năng sinh khí còn lại của nước thải sau biogas vẫn chưa thấy có công bố nào

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nội dung 1:

- Chất thải hỗn hợp phân lợn công nghiệp (phân và nước tiểu) được lấy tại Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi - Viện Chăn nuôi

- Dịch dạ cỏ được lấy từ lò mổ bò trên địa bàn xã Hải Bối, huyện Đông Anh

- Bùn ao tù được lấy từ ao tù ở khu vực xã Đông Ngạc

- Nước thải sau biogas được lấy từ hộ chăn nuôi lợn tại huyện Đan Phượng Nội dung 2: Nước thải sau biogas thu được từ thí nghiệm của nội dung 1

- Nội dung 1 Từ tháng 1 - 2 (mùa đông) và tháng 6 - 7 năm 2014 (mùa hè) tại Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi - Viện Chăn nuôi

- Nội dung 2 Từ tháng 3 - 4 (mùa đông) và tháng 7 - 9 năm 2014 (mùa hè) tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Môi trường chăn nuôi - Viện Chăn nuôi

- Nội dung 1 Nghiên cứu ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sinh khí sinh học của phân lợn

- Nội dung 2 Nghiên cứu xác định tiềm năng sản sinh khí sinh học còn lại của chất thải sau biogas của phân lợn được bổ sung các chất phụ gia tự nhiên

- Nội dung 1:

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 1