Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
Hiện trạng chăn nuôi gia súc trên thế giới và Việt Nam
Giai đoạn hiện nay, ngành chăn nuôi đã và đang phát triển theo hướng trang trại tập trung với quy mô lớn và nhỏ, hàng trăm nhà máy chế biến thức ăn, xí nghiệp giết mổ đã được thành lập, tạo công ăn việc làm cho nhiều người lao động, đóng góp một phần đáng kể cho ngân sách quốc gia Mặc dù năng suất được cải thiện, nhưng so với các nước trong khu vực và thế giới thì chất lượng giống lợn của nước ta vẫn thấp vì chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán mang tính tận dụng và sự phát triển chăn nuôi quy mô trang trại, tập trung thời gian qua hoàn toàn mang tính tự phát Các trang trại được quy hoạch nhỏ, mang tính chắp vá, thiết bị không đồng bộ, đa số các trại nằm trong khu vực dân cư nên mức độ ô nhiễm khá cao Mức độ ô nhiễm môi trường tại các cơ sở chăn nuôi tập trung và các địa phương có chăn nuôi phát triển là rất trầm trọng Thực tế nhiều nơi các chất thải rắn, chất thải lỏng và đặc biệt là chất thải từ bể khí sinh học đều được người chăn nuôi cho chảy thẳng ra cống rãnh, ao hồ, sông suối Kết quả nguồn nước mặt bị háo dưỡng gây ô nhiễm nguồn bề mặt ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Do đó, mặt trái của vấn đề tăng quy mô đầu lợn mà chưa đi cùng với các giải pháp kĩ thuật thích hợp thì việc gây ô nhiễm môi trường, làm giảm năng suất chăn nuôi là điều không thể tránh khỏi (Bùi Huy Hiền, 2010) Đứng trước nhiều khó khăn, nhưng với chính sách và sự hỗ trợ kịp thời của của các quốc gia, ngành chăn nuôi đang dần phục hồi và trở thành ngành sản xuất hàng hóa có quy mô trong nông nghiệp Phương thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hóa có quy mô trang trại những năm gần đây ngày càng được nhân rộng và phát triển, phát triển chăn nuôi theo quy mô trang trại là hình thức chăn nuôi tập trung số lượng lớn vật nuôi, có áp dụng tiến bộ khoa học kĩ thuật và các biện pháp quản lý kinh tế chăn nuôi nhằm tìm kiếm một hệ thống sản xuất cho phép thu được lợi nhuận cao nhất một cách lâu dài Sử dụng hoàn toàn thức ăn công nghiệp trong các trang trại chăn nuôi là giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí sức lao động lại cung cấp đầy đủ cân đối dinh dưỡng và hợp vệ sinh cho vật nuôi sinh trưởng phát triển (Mai Thế Hào, 2016)
Trong giai đoạn từ năm 2010 trở lại đây, ngành chăn nuôi toàn cầu đã chứng kiến những bước tiến vượt bậc Số lượng gia súc đã tăng đáng kể từ 207 triệu con lên 251 triệu con, đánh dấu mức tăng trưởng ấn tượng 21% Sự phát triển này phản ánh nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đối với các sản phẩm chăn nuôi và sự tiến bộ trong các phương pháp chăn nuôi hiện đại.
Phát triển chăn nuôi theo hướng tập trung và chuyên môn hóa cao là một trong những nội dung quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa sản xuất nông nghiệp của nước ta trong thời kỳ phát triển mới Theo kết quả điều tra dân số, đến 1 tháng 4 năm 2015, Việt Nam có tổng số dân là 91 triệu người, là một trong
10 quốc gia có mật độ dân số cao nhất trên thế giới (khoảng 260 người/km 2 ) Nhu cầu thực phẩm trong điều kiện dân số tăng và đời sống ngày càng được nâng cao đã và đang đặt ra cho các nhà quản lý nông nghiệp phải nhanh chóng hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp Trong khi diện tích dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng giảm do phát triển đô thị, công nghiệp, giao thông và các công trình dịch vụ khác, phát triển chăn nuôi theo hướng tập trung, nâng cao quy mô là xu thế tất yếu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng thịt, trứng, sữa cung cấp cho nhân dân và cho xuất khẩu ( Mai Thế Hào (2016)
Tại Việt Nam, hiện có khoảng 7 triệu hộ chăn nuôi trên cả nước. Trong đó, số hộ chăn nuôi quy mô nhỏ ( dưới 10 con/ hộ ) chiếm tới 86,4% Hình thức trang trại chăn nuôi chiếm tỷ trọng cao trong tổng số trang trại nông nghiệp cả nước và hiện nay tỉ trọng này đang có chiều hướng tăng lên Năm 2015 có 11.463 trang trại chăn nuôi, trong đó hai vùng Đồng bằng sông Hồng và Đông Nam Bộ có nhiều trang trại nhất Hệ thống quy mô nhỏ, mức độ chuyên môn hóa chưa cao, hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi chưa được chú trọng do đó lượng chất thải chưa qua xử lý thải trực tiếp ra môi trường vẫn còn rất lớn (Mai Thế Hào, 2016).
Hình 2.1 Chăn nuôi thâm canh công nghiệp thải ra nguồn chất thải rất lớn
Bảng 2.1 Số lượng đầu gia súc gia cầm và sản lượng sản phẩm chăn nuôi
5 Dê, cừu 6 Gia cầm của Việt Nam năm 2009 ĐV tính Đầu con Thịt hơi Sản phẩm
Ngàn con 6103,3 257779 tấn 278190 tấn Ngàn con 27627,7 2908,5 ngàn tấn -
Nguồn: Tổng cục Thống kê (2011)
Tổ chức FAO đã xác định có 3 hệ thống chăn nuôi chính: hệ thống công nghiệp, hệ thống hỗn hợp và các hệ thống chăn thả.
Hệ thống chăn nuôi công nghiệp là những hệ thống các vật nuôi được tách khỏi môi trường chăn nuôi tự nhiên, toàn bộ thức ăn, nước uống… do con người cung cấp và có hệ thống thu gom chất thải Các hệ thống này cung cấp trên 50% thịt lợn và thịt gia cầm toàn cầu, 10 % thịt bò và cừu Các hệ thống này thải ra một lượng chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhất.
Hệ thống hỗn hợp, là hệ thống trang trại trong đó có cả sản xuất trồng trọt và chăn nuôi Đây là hệ thống cung cấp 54% lượng thịt, 90% lượng sữa cho toàn thế giới Đây cũng là hệ thống chủ yếu chăn nuôi nhỏ lẻ ở các nước đang phát triển.
Hệ thống chăn thả là hệ thống chăn nuôi mà trên 90 % thức ăn cho vật nuôi được cung cấp từ đồng cỏ, bãi chăn thả… dưới 10% còn lại được cung cấp từ các cơ sở khác Các hệ thống này chỉ cung cấp được cho thế giới 9% tổng sản phẩm thịt toàn cầu, nhưng là nguồn thu nhập chính của trên 20 triệu gia đình trên thế giới.
Có một xu thế đáng chú ý, đó là chăn nuôi theo phương thức nuôi nhốt công nghiệp đang bị giảm mạnh tại phương tây (do những hậu quả nặng nề về môi trường và xã hội) thì lại đang bùng lên, phát triển mạnh ở châu Á, nơi mà các nhà chăn nuôi có thể tiến hành kinh doanh theo phương thức ấy mà ít bị can thiệp bởi các cá nhân và phong trào phản đối về sự vi phạm quyền lợi động vật và tàn phá môi trường (Trương Lăng, 2010). Ở Trung Quốc cũng như nhiều nước đang phát triển khác, người ta đã cơ bản chuyển từ sản xuất tại các nông trại truyền thống, chăn thả nhỏ lẻ sang trang trại quy mô lớn, gần 60 % trứng của Trung Quốc sản xuất năm 2005 đã được sản xuất trong các trang trại có từ 500 mái đẻ trở lên Ở các nước đang phát triển,các trang trại chăn nuôi lớn chủ yếu nằm trong các khu vực gần hay ngay trong các thành phố lớn, gây ô nhiễm môi trường nặng nề, đây cũng là thách thức lớn của thế kỷ 21( Báo NN&PTNT, 2013).
Hiện trạng chất thải chăn nuôi trên thế giới và Việt Nam
Chăn nuôi được xác định là một trong những ngành sản xuất tạo ra một lượng chất thải nhiều nhất ra môi trường Chất thải chăn nuôi là một tập hợp phong phú bao gồm các chất ở tất cả các dạng rắn, lỏng hay khí phát sinh trong quá trình chăn nuôi, lưu trữ, chế biến hay sử dụng chất thải.
Các chất thải chăn nuôi được phát sinh chủ yếu từ:
- Chất thải của bản thân gia súc, gia cầm như phân, nước tiểu, lông, vảy da và các phủ tạng loại thải của gia súc, gia cầm
- Nước thải từ quá trình tắm gia súc, rửa chuồng hay rửa dụng cụ và thiết bị chăn nuôi, nước làm mát hay từ các hệ thống dịch vụ chăn nuôi…
- Thức ăn thừa, các vật dụng chăn nuôi, thú y bị loại ra trong quá trình chăn nuôi.
- Bệnh phẩm thú y, xác gia súc, gia cầm chết.
Bùn lắng từ các mương dẫn, hố chứa hay lưu trữ và chế biến hoặc xử lý chất thải chăn nuôi chứa nhiều thành phần có khả năng gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của gia súc, gia cầm và sức khỏe con người Do đó, cần hiểu rõ thành phần và tính chất của chất thải chăn nuôi để có phương án quản lý, xử lý thích hợp, kiểm soát ô nhiễm và tận dụng nguồn chất thải giàu hữu cơ cho mục đích kinh tế.
Thành phần chủ yếu của chất thải chăn nuôi các hợp chất hữu cơ và nước, trong đó các hợp chất hữu cơ khi phân hủy tạo thành các loại khí gây ô nhiễm như CO 2 , H 2 S,CH 4 , NH 3 , N 2 O,… Các chất thải từ quá trình chăn nuôi đã gây ra nhiều vấn đề về môi trường (Trương Lăng,2010).
Hàng ngày, gia súc và gia cầm thải ra một lượng phân và nước tiểu rất lớn Khối lượng phân và nước tiểu được thải ra có thể chiếm từ 1,5 – 6% khối lượng cơ thể gia súc Các chất thải này chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm Theo Mai Thế Hào (2016), các chỉ tiêu ô nhiễm trong chất thải của gia súc đều cao hơn của người theo tỉ lệ tương ứng BOD 5 là 5:1, Ntổng là 7:1, TS là 10:1,…
Khối lượng chất thải chăn nuôi tùy thuộc vào giống, độ tuổi, giai đoạn phát triển, khẩu phần thức ăn và thể trọng gia súc và gia cầm Riêng đối với gia súc, lượng phân và nước tiểu tăng nhanh theo quá trình tăng thể trọng Nếu tính trung bình theo khối cơ thể thì lượng phân thải ra mỗi ngày của vật nuôi rất cao, nhất là đối với gia súc cao sản.
Bảng 2.2 Lượng phân gia súc, gia cầm thải ra hằng ngày tính trên % khối lượng cơ thể Loại gia súc Tỷ lệ % phân so với khối lượng cơ thể
Ngoài phân và nước tiểu, lượng thức ăn thừa, ổ lót, xác súc vật chết, các vật dụng chăm sóc, nước tắm gia súc và vệ sinh chuồng nuôi cũng đóng góp đáng kể làm tăng khối lượng chất thải. Đây là nguồn ô nhiễm và lan truyền dịch bệnh rất nguy hiểm, vì vậy chúng cần được xử lý thích hợp trước khi trả lại cho môi trường.
Bảng 2.3 Lượng chất thải chăn nuôi 1000 kg lợn trong 1 ngày
Chỉ tiêu Khối lượng (kg)
2.2.2 Thành phần chất thải chăn nuôi
Phân là sản phẩm loại thải của quá trình tiêu hoá của gia súc, gia cầm bị bài tiết ra ngoài qua đường tiêu hóa Chính vì vậy phân gia súc là sản phẩm dinh dưỡng tốt cho cây trồng hay các loại sinh vật khác như cá, giun… Do thành phần giàu chất hữu cơ của phân nên chúng rất dễ bị phân hủy thành các sản phẩm độc, khi phát tán vào môi trường có thể gây ô nhiễm cho vật nuôi, cho con người và các sinh vật khác Thành phần hoá học của phân bao gồm:
- Các chất hữu cơ gồm các chất protein, carbonhydrate, chất béo và các sản phẩm trao đổi của chúng.
- Các chất vô cơ bao gồm các hợp chất khoáng (đa lượng, vi lượng).
- Nước: là thành phần chiếm tỷ trọng lớn nhất, chiếm 65-80% khối lượng của phân Do hàm lượng nước cao, giàu chất hữu cơ cho nên phân là môi trường tốt cho các vi sinh vật phát triển nhanh chóng và phân hủy các chât hữu cơ tạo nên các sản phẩm có thể gây độc cho môi trường.
- Dư lượng của thức ăn bổ sung cho gia súc, gồm các thuốc kích thích tăng trưởng, các hormone hay dư lượng kháng sinh…
- Các men tiêu hóa của bản thân gia súc, chủ yếu là các men tiêu hóa sau khi sử dụng bị mất hoạt tính và được thải ra ngoài…
- Các mô và chất nhờn tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hoá
- Các thành phần tạp từ môi trường thâm nhập vào thức ăn trong quá trình chế biến thức ăn hay quá trình nuôi dưỡng gia súc ( cát, bụi,…).
- Các yếu tố gây bệnh như các vi khuẩn hay ký sinh trùng bị nhiễm trong đường tiêu hoá gia súc hay trong thức ăn.
Thành phần của phân có thể thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Chế độ dinh dưỡng của gia súc, gia cầm
Thường tỷ lệ tiêu hoá thức ăn của gia súc, gia cầm thấp nên một phần lớn chất dinh dưỡng trong thức ăn bị thải ra ngoài theo phân và nước tiểu.
Khi thay đổi khẩu phần, thành phần và tính chất của phân cũng sẽ thay đổi. Đây chính là cơ sở để ngăn ngừa ô nhiễm từ chăn nuôi thông qua việc điều chỉnh chế độ dinh dưỡng, tăng cường quá trình tích lũy trong các sản phẩm chăn nuôi và giảm bài tiết qua phân (Từ Thị Linh, 2013).
- Loài và giai đoạn phát triển của gia súc gia cầm
Tùy thuộc vào giai đoạn phát triển của gia súc, gia cầm mà nhu cầu dinh dưỡng và sự hấp thu thức ăn có sự khác nhau Gia súc càng lớn hệ số tiêu hoá càng thấp và lượng thức ăn bị thải ra trong phân càng lớn Vì vậy thành phần và khối lượng của phân cũng khác nhau ở các giai đoạn phát triển của gia súc, gia cầm.
Bảng 2.4 Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 –100 kg Đặc tính Đơn vị Giá trị
Các axit mạch ngắn g/kg 3,83 – 4,47 pH 6,47 – 6,95
Trong thời kỳ tăng trưởng, nhu cầu dinh dưỡng của vật nuôi lớn và khả năng đồng hoá thức ăn của con vật cao nên khối lượng các chất bị thải ra ngoài ít và ngược lại, khi gia súc trưởng thành thì nhu cầu dinh dưỡng giảm, khả năng đồng hoá thức ăn của con vật thấp nên chất thải sinh ra nhiều hơn, đặc biệt là các gia súc sinh sản, gia súc lấy sữa hay lấy thịt (Trương Lăng, 2013)
Trong các hệ thống chuồng trại, phân gia súc, gia cầm nói chung thường tồn tại cả ở dạng phân lỏng hay trung gian giữa lỏng và rắn hay tương đối rắn Chúng chứa các chất dinh dưỡng, đặc biệt là các hợp chất giàu nito và phospho, là nguồn cung cấp thức ăn phong phú cho cây trồng và làm tăng độ màu mỡ của đất Vì vậy, trong thực tế thường dùng phân để bón cho cây trồng, vừa tận dụng được nguồn dinh dưỡng,vừa làm giảm lượng chất thải phát tán trong môi trường, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.Theo nghiên cứu của Từ Thị Linh (2013), hàm lượng N tổng số trong phân heo chiếm từ 8,99 - 9,47 g/kg phân Đây là nguồn dinh dưỡng có giá trị, cây trồng dễ hấp thụ và góp phần cải tạo đất nếu như phân gia súc được sử dụng hợp lý Theo tác giả Nguyễn Lân Dũng (2007), thành phần Nito tổng số,
Photpho tổng số của một số gia súc, gia cầm khác như sau:
Bảng 2.5 Thành phần hóa học của phân gia súc, gia cầm
Thành phần hóa học (% trọng lượng vật nuôi)
- Trong phân còn chứa nhiều loại vi sinh vật và kí sinh trùng kể cả có lợi và có hại Trong đó, các vi khuẩn thuộc loại Enterobacteriacea chiếm đa số với các loài điển hình như E.coli, Samonella, Shigella, Proteus,… Kết quả phân tích của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng TP Hồ Chí Minh năm 2001, nhiều loại vi khuẩn gây bệnh tồn tại từ 5 – 15 ngày trong phân và đất Đáng lưu ý nhất là virus gây bệnh viêm gan Rheovirus, Adenovirus Cũng theo số liệu của viện này cho biết, trong 1 kg phân có thể chứa 2.100 – 5.000 trứng giun sán, chủ yếu là Ascarisium (chiếm 39 – 83%), Oesophagostomum (chiếm 60 – 68,7%) và Trichocephalus (chiếm 47 – 58,3%) Điều kiện thuận lợi cho mỗi loại tồn tại phát triển và gây hại phụ thuộc vào nhiều yếu tố: quá trình thu gom, lưu trữ và sử dụng phân, các điều kiện môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, ánh sáng, kết cấu của đất, thành phần các chất trong phân …(Từ Thị Linh,2013).
2.2.2.2 Thức ăn thừa, ổ lót chuồng và các chất thải khác
Các biện pháp và công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi
Việc quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi tốt sẽ hạn chế được ô nhiễm môi trường Chất thải chăn nuôi đặc biệt là phân và nước tiểu, ngay khi thải ra thì khả năng gây ô nhiễm thấp, khả năng này chỉ tăng khi phân và nước tiểu bị để lâu trong môi trường bên ngoài.
Do đó để hạn chế khả năng gây ô nhiễm của chất thải cần phải quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi ngay từ lúc mới thải ra môi trường.
Phân và nước tiểu gia súc thải ra phải được thu gom và vận chuyển ra khỏi chuồng trại chăn nuôi càng sớm càng tốt để tránh vấy bẩn ra chuồng trại và gia súc, đồng thời tránh tạo mùi hôi thối trong chuồng nuôi làm thu hút ruồi muỗi tới Việc thu gom và chuyển phân ra khỏi chuồng sớm cũng tạo thuận lợi cho việc dọn rửa chuồng trại và từ đó có thể tiết kiệm điện nước Tùy theo tình trạng của phân và điều kiện chăn nuôi để có thể áp dụng kỹ thuật thu gom hoặc bằng cách hót phân rắn hay xịt rửa cho phân trôi theo dòng chảy vào những thời điểm nhất định trong ngày. Việc thu gom vận chuyển chất thải có thể dùng nước bơm xịt, hay thùng chứa, sọt, bao,… Nơi lưu trữ phân phải là hố chứa, bể lắng, thùng đựng được đậy kín hay bao kín để xử lý Khu vực lưu trữ phân phải cách biệt với chuồng trại chăn nuôi để tránh ảnh hưởng đến sức khỏe gia súc. Việc xử lý chất thải chăn nuôi lại càng quan trọng trong điều kiện chăn nuôi chật hẹp nhất là khi khu vực chăn nuôi còn nằm trong khu dân cư cũng như trong cùng một khuôn viên có con người sinh sống Trong điều kiện này hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi phải được thiết kế đúng tiêu chuẩn kỹ thuật và phải có thiết bị xử lý chất thải dạng rắn và lỏng ở công đoạn cuối cùng sau khi được thải vào môi trường (Từ Thị Linh, 2013).
2.3.1 Phương pháp xử lý vật lý
Các phương pháp vật lý thường được dùng để tách chất thải rắn ra khỏi chất thải lỏng để xử lý theo các cách khác nhau Chất thải rắn sau khi tách có thể được xử lý bằng phương pháp ủ hay đốt trước khi làm phân bón Đốt chất thải rắn, phương pháp này có độ an toàn vệ sinh dịch bệnh cao nhất, đảm bảo diệt được cả bào tử của vi khuẩn Phương pháp này khá đơn giản chỉ cần đào một hố, lót rơm hay mùn cưa ở dưới đáy Sau đó để xác động vật, phân hay chất thải rắn khác lên, tiếp theo đậy lại bằng gỗ rồi đổ nhiên liệu lên và đốt. 2.3.2 Xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm Biogas (Hệ thống khí sinh học).
Trong thực tiễn, tùy từng nơi, từng quy mô trang trại có thể sử dụng loại hầm Biogas khác nhau cho phù hợp Xử lý chất thải chăn nuôi bằng hệ thống khí sinh học được đánh giá là giải pháp hữu ích nhằm giảm khí thải methane ( khí có khả năng gây hiệu ứng nhà kính) và sản xuất năng lượng sạch Đến năm 2014, với trên 500.000 công trình khí sinh học hiện có trên cả nước đã sản xuất ra khoảng 450 triệu m 3 khí gas/ năm Hiện nay việc sử dụng hầm Biogas đang được người chăn nuôi quan tâm vì vừa bảo vệ được môi trường, vừa có thể thay thế chất đốt hoặc có thể sử dụng cho chạy máy phát điện, tạo ra điện sinh hoạt gia đình và phục vụ trang trại.
Hình 2.3 Xây dựng hầm Biogas composite và túi khí dự trữ 2.3.3 Xử lý chất thải bằng chế phẩm sinh học.
Từ đầu thập niên 80 của thế kỷ trước, các chất men sinh học "Chế phẩm EM (Effective Microorganisms)" ra đời với mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi Ngày nay, Việt Nam đã sản xuất được nhiều loại men sinh học phù hợp với điều kiện khí hậu tự nhiên trong nước Các ứng dụng đa dạng của men sinh học bao gồm bổ sung vào nước thải, phun vào chuồng nuôi và chất thải để khử mùi hôi, cũng như trộn vào thức ăn.
Chăn nuôi trên đệm lót sinh học là sử dụng các phế thải từ chế biến lâm sản (Phôi bào, mùn cưa) hoặc phế phụ phẩm trồng trọt (Thân cây ngô, đậu, rơm, rạ, trấu, vỏ cà phê…) cắt nhỏ để làm đệm lótcó bổ sung chế phẩm sinh học.Sử dụng chế phẩm sinh học trên đệm lót là sử dụng “bộ vi sinh vật hữu hiệu” đã được nghiên cứu và tuyển chọn chọn thuộc các chi Bacillus, Lactobacillus, Streptomyces, Saccharomyces, Aspergillus…với mong muốn là tạo ra lượng vi sinh vật hữu ích đủ lớn trong đệm lót chuồng nhằm tạo vi sinh vật có lợi đường ruột, tạo các vi sinh vật sinh ra chất ức chế nhằm ức chế và tiêu diệt vi sinh vật có hại, để các vi sinh vật phân giải chất hữu cơ từ phân gia súc gia cầm, nước giải giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Hình 2.4 Chăn nuôi trên đệm lót sinh học 2.3.4 Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ (Compost).
Xử lý chất thải bằng phương pháp ủ phân hữu cơ (Compost) là sử dụng chủ yếu bã phế thải thực vật, phân của động vật mà thông qua hoạt động trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật phân hủy và làm tăng cao chất lượng của sản phẩm, tạo nên phân bón hữu cơ giàu chất dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng Người ta chọn chỗ đất không ngập nước, trải một lớp rác hoặc bã phế thải trồng trọt dầy khoảng 20cm, sau đó lót một lớp phân gia súc hoặc gia cầm khoảng 20-50% so với rác (Có thể tưới nếu phân lỏng, mùn hoai), tưới nước để có độ ẩm đạt 45- 50% rồi lại lại trải tiếp một lớp rác, bã phế thải trồng trọt lên trên… đến khi đống ủ đủ chiều cao (Không sử dụng cỏ tranh, cỏ gấu để ủ) Dùng tấm ni lông, bạt… đủ lớn để che kín đống phân ủ Cứ khoảng một tuần đảo đều đống phân ủ và bổ xung nước cho đủ độ ẩm khoảng 45-50%, che ni long, bạt kín lại như cũ Ủ phân bằng phương pháp này hoàn toàn nhờ sự lên men tự nhiên, tiêu diệt được phần lớn các mầm bệnh nguy hiểm, thậm chí ủ phân có thể phân hủy được cả xác động vật chết khi lượng phế thải thực vật đủ lớn.
Hình 2.5 Xử lý chất thải chăn nuôi bằng phương pháp ủ phân hữu cơ.
2.3.5 Xử lý bằng công nghệ ép tách phân. Đây là công nghệ hiện đại được nhập vào nước ta chưa lâu nhưng rất hiệu quả và đang được nhiều nhà chăn nuôi quan tâm áp dụng Dựa trên nguyên tắc “lưới lọc” máy ép có thể tách hầu hết các tạp chất nhỏ đến rất nhỏ trong hỗn hợp chất thải chăn nuôi, tùy theo tính chất của chất rắn mà có các lưới lọc phù hợp Khi hỗn hợp chất thải đi vào máy ép qua lưới lọc thì các chất rắn được giữ lại, ép khô và ra ngoài để xử lý riêng còn lượng nước theo đường riêng chảy ra ngoài hoặc xuống hầm Biogas để xử lý tiếp Độ ẩm của sản phẩm (Phân khô) có thể được điều chỉnh tùy theo mục đích sử dụng Quá trình xử lý này tuy đầu tư ban đầu tốn kém hơn nhưng rất hiện đại, nhanh, gọn, ít tốn diện tích và đang là một trong những biện pháp hiệu quả nhất đối với các trang trại chăn nuôi lợn, trâu bò theo hướng công nghiệp hiện nay
2.3.6 Xử lý nước thải bằng oxy hóa.
2.3.6.1 Xử lý bằng sục khí.
Nước thải được tiếp xúc nhiều hơn với không khí và như vậy quá trình ô xi hóa xảy ra nhanh, mạnh hơn Đồng thời kích thích quá trình lên men hiếu khí, chuyển hóa các chất hữu cơ, chất khí độc sinh ra trở thành các chất ít gây hại tới môi trường Sau khi lắng lọc nước thải trong hơn giảm ô nhiễm môi trường và có thể dùng tưới cho ruộng đồng.
2.3.6.2 Xử lý bằng Hidro peroxit (H 2 O 2 )
Hidro peroxit (H2O2) được biết đến với nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm: chất tẩy uế, chất tẩy trắng trong công nghiệp, chất oxy hóa và xử lý nước thải Phản ứng phân hủy tự nhiên của H2O2 giải phóng nhiệt, tạo thành nước và oxy Do khả năng phân hủy thành các hợp chất vô hại, H2O2 được coi là một lựa chọn thân thiện với môi trường cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Trong quá trình phân hủy (phản ứng xảy ra mạnh mẽ khi có xúc tác), đầu tiên oxy nguyên tử được tạo ra và tồn tại trong thời gian rất ngắn rồi nhanh chóng thành khí O 2 Oxy nguyên tử có tính oxy hóa rất mạnh vì vậy đã oxy hóa các chất hữu cơ, diệt khuẩn, khử mùi hiệu quả trong dung dịch chất thải Bổ sung H 2 O 2 vào nước thải xử lý môi trường tuy có tốn kém chút ít nhưng hiệu quả cao Cần chú ý khi bổ sung H 2 O 2 xử lý môi trường là phải tìm hiểu cách bảo quản H 2 O 2 , liều lượng, chất xúc tác… và nồng độ đủ thấp để an toàn Nếu nồng độ cao dễ xảy ra cháy, nổ hoặc ngộ độc nguy hiểm.
2.3.7 Xử lý bằng bể UASB
Bể UASB là bể kỵ khí, dòng nước chuyển động thẳng đứng từ dưới lên trên đi qua lớp đệm bùn trong đó bao gồm các sinh khối được hình thành dưới dạng hạt nhỏ hay hạt lớn Giải pháp này cho phép nước thải tiếp xúc với các hạt bùn Các khí sinh ra trong quá trình thủy phân lại là nguyên nhân tạo nên sự chuyển độngbên trong đệm bùn.
Hình 2.6 Cấu tạo bể UASB
Bể UASB có thể xây dựng bằng bê tông cốt thép, thường xây hình chữ nhật Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí có độ nghiêng ≥ 35 O so với phương ngang Nhiệt độ càng cao thì hiệu quả xử lý của bể UASB càng cao, do đó bể này có thể áp dụng tốt tại Việt Nam.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí xảy ra (bùn + nước thải) tạo ra khí (70 – 80% CH 4 ) Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể Tại đây quá trình tách pha khí - lỏng - rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 - 10% Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6 – 0.9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt ) pH thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí dao động trong khoảng 6.6 – 7.6.
Tình hình nghiên cứu xử lý chất thải chăn nuôi trên thế giới và Việt Nam
2.4.1 Cơ sở khoa học của việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng chế phẩm vi sinh
Trong chất thải chăn nuôi có chứa các hợp chất tồn tại trong thức ăn, việc sử dụng chế phẩm vi sinh giúp thúc đẩy quá trình phân giải các hợp chất trên được nhanh hơn.
Xenlulo (glucan): là hợp chất cao phân tử được trùng hợp (polymer hóa) từ các gốc β-D–glucozo bằng liên kết β–1,4 – glucozơ nhờ khả năng tự dưỡng dưới ánh sang mặt trời của giới thực vật Xenlulo là thành phần chính trong rơm rạ và rất khó phân hủy, quá trình phân hủy xenlulo được thực hiện bằng một hệ enzyme có sự phối hợp chặt chẽ với nhau để bẻ gãy mạch xenlulo cuối cùng tạo ra đường glucose.
Hệ sinh vật phân hủy xenlulo khá phong phú gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc Chúng có khả năng tiết vào môi trường enzyme thủy phân xenlulo Hệ enzyme này gồm 3 enzym là endoglucanaza, exoglucanaza và β – glucozidaza Quá trình thủy phân glucan theo trình tự sau:
Xenlulozơ endogluanaza Xenlulozơ exoglucanaza Xenlobiozơ xenlobiaza Glucozơ tự nhiên hoạt động.
Enzym endogluanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay là enzyme không đặc hiệu, nó làm trương xenlulozo tự nhiên thành chuỗi xenlulozo hoạt động có mạch ngắn hơn và bị enzyme exoglucanaza tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan xenlobiozo và cuối cùng thành glucozo.
Nấm là nhóm vi sinh vật chủ yếu phân hủy polysaccarit, trong đó cơ bản là glucan (xenlulozơ) tạo ra mùn Trong số các loại nấm được nghiên cứu nhiều nhất là Tricoderma viside (reesei) Các loại thuộc nấm này tiết ra một lượng lớn các enzym khác nhau, trong đó xenlulaza là chính có khả năng phối hợp phân hủy xenlulo Ngoài ra, xenlulo còn được thủy phân bởi các chủng vi sinh vật khác như: Vi khuẩn: Cytophaga, Sporocytophaga, sorangium, clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cellulomonas, Pseudomonas Nấm sợi: Penicillium, Aspergilus, Mucor,Tricoderma, rhizopus Xạ khuẩn: Actinomyces, Stretomyces, Actinopolysprora, Pseudonocardia (Nguyễn Trọng Nam, 2014)
Hemixenlulo (xylan): là một phức hệ gồm Endo-1,4-β-D-mannaza và 1,4 - β - D- xylozidaza Enzym mannaza thủy phân xylan thành các oligosaccarit hòa tan trong nước và enzym xylozidaza sẽ tiếp tục thủy phân Sản phẩm cuối cùng là xyloza và mannozo.
Các enzym hemixenlulo (xylanama) rất phổ biến trong tự nhiên, chúng được vi sinh vật sinh ra từ đất, nước, trong dạ cỏ động vật nhai lại Enzym này được sản sinh từ các chủng vi sinh vật như: Vi nấm (nấm sợi, nấm mốc): các enzym phân hủy hemixenlulo có nguồn gốc từ nấm như Tricoderma, Aspergillus, Fusarium Các loài nấm Tricoderma khi phát hiện trên xác thực vật sinh ra một lượng lớn xylanaza, có khả năng phân hủy không những xylan mà còn phân hủy cả glucan, cacbonxy- metyl- xenlulozo, P- nitrophenyl- β- glucozit, xylosligome
Vi khuẩn cũng có khả năng sinh xylanaza tổ hợp Trong số vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất là Bacillus Vi khuẩn này sinh enzym thủy phân rơm rạ (cơ chất là arabinoxylan) và sản phẩm chủ yếu là xylobiozo và một lượng nhỏ xylooligosaccarit có độ trùng hợp cao Enzym này phân hủy xylan của rơm rạ và gỗ thông rụng lá theo phương thức endoxylanaza và giải phóng ra xylobiozo và xylozo Các loài xạ khuẩn khi phân hủy xylan tạo ra xylobiozo Các xylan này tạo thành ở giai đoạn đầu của quá trình thủy phân Tiếp theo tiến trình phản ứng thủy phân xylooligosaccarit có độ trùng hợp thấp sẽ phân hủy tiếp thành xylobiozo và xylozo (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
Pectin là một loại polygalacturonic, một hợp chất cao phân tử có nhiều trong quả, củ, hạt và trong thân thực vật Pectin được phân giải tạo ra sản phẩm cuối cùng là axit D galacturonic.
Pectin không tan → pectin hòa tan → axit pectin + rượu metylic
Pectin bị phân giải bởi enzym pecticnaza Enzym này được sản sinh nhờ một số loài vi khuẩn và nhiều loài nấm mốc Trong xử lý xác thực vật thì nấm đóng vai trò chủ yếu trong việc phân hủy các chất pectin, còn ở điều kiện kị khí thì vi khuẩn lại đảm nhiệm vai trò này Một số vi sinh vật (Botrytis cinnerea, Fusarium oxysporum, F Lycopersici) có khả năng gây bệnh thực vật là do chúng tiết enzym hòa tan pectin Erwvinia caratovora làm tan mô ở xà lách, cà rốt Số lượng các cơ thể phân hủy pectin trong đất là cực kỳ lớn (10 5 tế bào/gam đất) Các vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus macerans và Bacillus polimisa nằm trong số vi sinh vật phân hủy pectin mạnh mẽ nhất (Nguyễn Trọng Nam, 2014)
Quá trình thủy phân lipit gây ra do vi sinh vật sản sinh enzym lipaza nội tại Bước đầu tiên của phản ứng là sự thủy phân Dưới tác dụng của enzym lipaza thủy phân thành glyxerin và axit béo Sau khi photphorin hóa, glyxerin tiếp tục được chuyển hóa theo đường Embden-Meyerhof-Panas và tích lũy tại năng lượng ATP Các axit béo được đồng hóa nhờ quá trình β-oxy hóa giải phóng nhiệt làm ấm môi trường cho vi sinh vật ưa nhiệt, giải phóng
CO 2 cung cấp cho quang hợp (Nguyễn Xuân Thành và cs., 2015).
Protein là hợp chất cao phân tử chứa nito, thành phần cơ bản của chất nguyên sinh, trong protein chứa khoảng 15-17% nito Cũng như những cao phân tử khác, protein bị phân hủy bên ngoài tế bào bởi các enzym ngoại bào thành những mẩu nhỏ hơn có thể xâm nhập vào tế bào Protein phân hủy tạo thành các oligopeptit và các axit amin Các oligopeptit được vi sinh vật hấp thụ nhờ những hệ thống vận chuyển đặc hiệu và sau đó được phân hủy nhờ các proteaza nội bào thành các axit amin Những axit amin này được thu nhận vào protein của tế bào, hoặc được tách amin trên những con đường trao đổi chất đặc biệt, được lôi cuốn vào các con đường trao đổi chất trung gian và bị oxi hóa tận cùng
Protein → Polypeptit → Oligopepetit → Axit amin → NH 3
Các nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy protein bao gồm vi khuẩn: bacillus mycoides, B.mesentercus, B subtilis, Ptoteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum Xạ khuẩn: Streptomyces griseus, S.rimesus Nấm: Aspergillus oryzae, A.terircoda, A.niger, Penicillium camomberli, Mucor (Nguyễn Xuân Thành và cs 2015). 2.4.1.6 Phân giải tinh bột
Tinh bột là hợp chất hydratcacbon cao phân tử có trong hạt ngũ cốc và còn nhiều trong rơm rạ Tinh bột được cấu tạo bởi hai thành phần chính là Amylose (khoảng 25%) và Amylopectin (khoảng 75%) Tinh bột được phân giải nhờ các vi sinh vật có khả năng sinh sản enzyme amylaza ngoại bào giúp phân giải tinh bột thành các phần đơn giản hơn Tinh bột dưới tác dụng của enzym amylaza sẽ bị thủy phân thành dextrin, đường maltozo và gluco Các enzym amylaza thường có trong các hạt củ mầm, đặc biệt ở các môi trường nuôi cấy vi sinh vật có tinh bột Các vi sinh vật có khả năng sinh amylaza là nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn.
Các enzym amylaza gồm có α – amylaza, β – amylaza và γ – amylaza (gluco – amylaza). α – amylaza thủy phân tinh bột cho các chất dextrin là sản phẩm chính và một ít đường maltozơ hoặc gluco, chủ yếu làm loãng hồ tinh bột. β – amylaza thủy phân tinh bột cho các sản phẩm chính là maltozơ (đường mạch nha). γ – amylaza thủy phân tinh bột thành gluco.
Amylaza ở thực vật thường chỉ có α và β – amylaza, ở nấm mốc có cả 3 enzym, ở vi khuẩn giàu α – amylaza (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
- Chất thải chăn nuôi: Lợn.
- Cây trồng: Rau xà lách (Lactuca sativa).
- Địa điểm nghiên cứu: Học viện nông nghiệp Việt Nam.
- Thời gian: Từ tháng 4/2017 đến tháng 5/2018.
Nội dung nghiên cứu
3.3.1 Xây dựng mô hình liên kết ứng dụng công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi gia súc để sản xuất phân bón hữu cơ
+ Thiết kế hệ thống cơ học xử lý chất thải chăn nuôi lợn. + Hệ thống xử lý chất thải lỏng.
+ Phương pháp xử lý chất thải rắn.
3.3.2 Đánh giá chất lượng phân hữu cơ bột và phân hữu cơ lỏng 3.3.3 Đánh giá hiệu quả của mô hình
+ Hiệu quả của phân hữu cơ trên cây trồng.
Phương pháp nghiên cứu
3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến xây dựng mô hình liên kết ứng dụng công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi thành phân bón hữu cơ từ Báo, tạp chí khoa học; Các website, thông tin từ internet; Các ấn phầm nghiên cứu khoa học có liên quan; Sách và tư liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi gia súc để sản xuất phân bón hữu cơ Đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ trên cây trồng theo phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng gồm 3 công thức; 3 lần lặp; trồng trong chậu đất 5 kg, bón phân theo nền thâm canh.
+ CT2: ẵ nền + phõn hữu cơ.
+ CT3: ẳ nền + phõn hữu cơ Trong đú:
- Công thức 1: Sử dụng sử dụng 1,5 kg phân vô cơ.
- Công thức 2: Sử dụng 0,75 kg phân vô cơ; 1,3kg phân hữu cơ.
- Công thức 3: Sử dụng 0,375kg phân vô cơ; 2,6 kg phân hữu cơ.
+ Sinh trưởng và phát triển của cây, năng suất, tỉ lệ sâu bệnh bằng đo đếm trực tiếp.
3.4.3 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Phương pháp phân tích đất, chất lượng phân bón theo các phương pháp thông dụng hiện hành theo TCVN.
Bảng 3.1 Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Chỉ số Phương pháp TCVN
NO 3 - Phương pháp so màu TCVN 5247:1990
Asen Dùng phương pháp bạc TCVN 7601:2007
Dietyldithiocacbonat Chì phương pháp trắc quang Dithizon TCVN 7602:2007 thủy ngân Phương pháp quang phổ TCVN 7602:2007 Đồng Phương pháp quang phổ TCVN 6541:1999
Coliforms Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 4829:2005 E.coli Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 6846:2007
P 2 O 5 % Phương pháp so màu TCVN 8563:2010
K 2 O% Phương pháp quang phổ TCVN 8660:2011
Photpho dễ tiêu Phương pháp Olsen TCVN 8661:2011 Kali dễ tiêu Phương pháp Matslova TCVN 8560:2010 OC% Phương pháp Walkley-black TCVN 9294:2012
Vi sinh vật phân Phương pháp khuẩn lạc TCVN 6168:2002 giải xenlulo
E.coli Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 6846:2007
3.4.4 Phương pháp xử lý thống kê
+ Sử dụng phầm mềm Excel và phần mềm IRISTAT để xử lý thống kê.
