xử lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas

xử lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas

TIỂU LUẬN

XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI

BẰNG CÔNG NGHỆ BIOGAS

GVHD: Trần Minh ChíHỌC VIÊN: Đinh Công Hoàng

Đỗ Thị Bích NgọcNguyễn Thị Thảo NguyênNguyễn Thị Thiện Nhơn

Tháng 12, 2013

-MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, nhiều mô hình chăn nuôi lợn và bò sữa được triển khai trên địa bàn cả nước đã đem lại nguồn thu nhập cao, đóng góp vào sự phát triển kinh tế, cải thiện đời sống cho nhân dân địa phương Tuy nhiên, các mô hình chăn nuôi nhỏ lẻ trong khu dân cư đã và đang để lại những hệ lụy nghiêm trọng, báo động về sự ô nhiễm môi trường từ nguồn nước thải chăn nuôi

Theo Cục chăn nuôi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), mỗi năm, ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý

xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng

Hiện cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình, 18.000 trang trại chăn nuôi tập trung, nhưng mới chỉ có 8,7% số hộ xây dựng công trình khí sinh học (hầm Biogas)

Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũng chỉ chiếm 10% và chỉ có 0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường Vẫn còn khoảng 23% số hộ chăn nuôi không

xử lý chất thải bằng bất kỳ phương pháp nào mà xả thẳng ra môi trường bên ngoài…gây sức ép đến môi trường

Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học 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, đặc biệt là đối với các hộ chăn nuôi trâu, bò, lợn với quy mô hộ gia đình như nước ta hiện nay

Trong bối cảnh tài nguyên năng lượng hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt, năng lượng mới tái tạo đã và đang trở thành mối quan tâm không phải chỉ riêng mỗi quốc gia nào mà trở thành vấn đề toàn cầu Trước tình hình trên, từ hơn 20 năm qua, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm nhiều loại năng lượng khác nhau, nhất là năng lượng tái lập Một trong những năng lượng gần gũi nhất với chúng ta đó là năng lượng có

từ sự phân hủy rác hữu cơ của gia đình và phân chuồng gia súc như trâu, bò, heo…đó chính là năng lượng khí sinh học hay còn gọi là Biogas

Để mở rộng quy mô và phạm vi áp dụng mô hình Biogas có hiệu quả thì công việc

nghiên cứu về Biogas là rất quan trọng Vì vậy nhóm quan tâm đến đề tài “Xử lý chất thải

chăn nuôi bằng công nghệ Biogas”

2 Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quản lý tại nguồn đối với chất thải rắn phát sinh

từ hoạt động chăn nuôi nhằm giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường phát sinh từ hoạt động chăn nuôi ở nước ta

3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng hoạt động chăn nuôi gia súc, gia cầm của nước ta và những vấn đề môi trường phát sinh từ hoạt động chăn nuôi

- Đánh giá thực trạng áp dụng công nghệ xử lý chất thải rắn chăn nuôi bằng công nghệ Biogas ở nước ta hiện nay

- Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quản lý tại nguồn đối với chất thải rắn phát sinh

từ hoạt động chăn nuôi

4 Phương pháp thực hiện:

Phương pháp thực hiện là phương pháp thu thập dữ liệu, tổng hợp tài liệu

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Công tác quản lý nhà nước đối với hoạt động chăn nuôi

- Phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, đánh giá và xây dựng cơ sở dữ liệu đối với hoạt chăn nuôi bò và heo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ Biogas

1.1.1 Thế giới

a Các nguồn lịch sử của công nghệ khí sinh học

Các hệ thống nghiên cứu đầu tiên về sản xuất khí sinh học bắt đầu một nhà nhà khoa học Ý tên là Allesandro Volta, là một trong những người tham gia vào các nghiên cứu điện hiện nay, và tên đơn vị điện áp đo được gọi là “V” Vào những năm 1770 Volta để ý đến khí đầm lầy trong trầm tích của các hồ ở miềm Bắc Italy, sau đó ông bắt đầu tiến hành thí nghiệm về sự cháy của khí này Faraday, nhà vật lý người Anh đã thử nghiệm với khí đầm lầy và xác định nó như là một Hydrocacbon Chỉ trong năm 1821, nhà nghiên cứu Avogadro đã thiết lập công thức hóa học của khí mêtan (CH4) Nhà vi khuẩn học nổi tiếng của Pháp, Pasteur vào năm 1884 đã tiến hành thử nghiệm với phân rắn Ông là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng các phân từ các chuồng nuôi gia súc ở Paris để sản xuất khí đốt giúp chiếu sáng đường phố

Cùng với sự phát triển của công nghệ, năm 1897 tại một bệnh viện cho bệnh nhân ở Bombay, Ấn Độ được xây dựng nhà máy đầu tiên, khí đốt được sử dụng cho chiếu sáng

và năm 1907 đã được cung cấp các công cụ để sản xuất điện

Tại Đức, một kỹ sư từ nhà máy xử nước thải, gọi là “Emshersky” Hôm nay, mỗi nhà máy xử lý giai đoạn kỵ khí là sản xuất khí thải từ đó được sử dụng để sưởi ấm các lò lên men hoặc cho nhiệt và điện

Hình 1: Nhà máy khí sinh học thành phố (Giai đoạn kỵ khí của các nhà máy xử lý)

Trước và trong chiến tranh thế giới II Đức, để đáp ứng nhu cầu tăng lên đối với

“nhiên liệu khí đốt” người ta đã cố gắng gia tăng sản xuất của khí thải bằng cách cho thêm chất thải rắn hữu cơ được sử dụng một phương pháp gọi là Kofermentatsiey ngày hôm nay Năm 1940, ở Stuttgart lần đầu tiên cho thành công có thể pha trộn với dầu tách chất béo

b Nguồn gốc của ngành khí sinh học trong nông nghiệp

Chỉ sau chiến tranh, nông nghiệp được cho là một nhà cung cấp tiềm năng nguyên liệu của các khí sinh học – Đó là nguồn chất thải của gia súc

Đại học lỹ thuật Darmstadt năm 1947 đã phát triển một nhà máy khí sinh học cho các doanh nghiệp nhỏ nông nghiệp với một bể lên men ngang có tựa đề “Hệ thống Darmstadt” Các loại khác đối với phân rắn như đã biết và đã được phát triển tại Berlin và Munich

1.1.2 Việt Nam

Thời kỳ 1960 – 1975

ở miền Bắc Việt Nam những thông tin về việc sử dụng khí sinh học trong phong trào

“Đại nhảy vọt” của Trung Quốc vào những năm 1957-1960 đã gây ra sự chú ý của nhiều người Tại một số địa phương, nhiều các nhân và cơ quan đã tìm hiểu và xây dựng thử các thiết bị khí sinh học như Hà Nội, Bắc Thái, Hà Nam Ninh, Hải Hưng Tuy nhiên, vì những lý do về kỹ thuật và quản lý, các công trình này không đạt hiệu quả mong muốn

Ở miền Nam Việt Nam, năm 1960, Nhà khảo cứu và Nông Lâm súc của chính quyền Sài Gòn có thí nghiệm biện pháp sản xuất khí mêtan từ phân động vật, nhưng do việc nhập cảng ồ ạt các loại khí Butan, Propan và phân hóa học nên ý đồ triển khai việc nghiên cứu đã không được thực hiện

Thời kỳ 1976 – 1980

Sau khi đất nước thống nhất (1975), trước nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội hóa, nâng cao mức sống của nhân dân, các dạng năng lượng mới và tái tạo nói chung, trong đó

có khí sinh học nói riêng lại được chú ý tới

Thiết bị sản xuất khí sinh học được lựa chọn để thử nghiệm ban đầu thuộc loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và có cổ bể có gioăng nước để gữi kín khí được tích trong nắp chứa khí Tuy nhiên, những công trình này đã phải bỏ dở vì những lý do kỹ thuật và quản lý Tới cuối năm 1979, công trình khí sinh học ở nông trường Sao Đỏ (Mộc Châu, Sơn La) có thể tích phân hủy là 27 m3 đã hoàn thành và hoạt động tốt Kết quả này

là nguồn cổ vũ khích lệ lớn đối với cán bộ nghiên cứu, những nhà quản lý và nhân dân, đặt cơ sở cho việc triển khai tiếp tục công nghệ khí sinh học sau này.

Thời kỳ 1981 – 1990

Trong hai kỳ kế hoạch 5 năm, từ 1981 – 1985 và 1985 – 1990 công nghệ khí sinh học đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong Chương trình nghiên cứu cấp nhà nước về Năng lượng mới (mã số 52C)

Đến năm 1990, nhiều tỉnh trong toàn quốc đã có những công trình khí sinh học được xây dựng Phát triển mạnh mẽ nhất là các tỉnh ở phía Nam vì có những điều kiện thuận lợi

về kinh tế - xã hội và khí hậu Tính chung trong toàn quốc thời kỳ này có khoảng trên 2.000 công trình

Thời kỳ 1991 tới nay

Sau khi kết thúc kế hoạch 1986 – 1990, chương trình 52C giải thể Hoạt động nghiên cứu và triển khai về năng lượng mới không được đưa vào chương trình Năng lượng của nhà nước, việc phát triển năng lượng mới bị chững lại

Từ năm 1993 tới nay, công nghệ khí sinh học được phát triển mạnh mẽ trong khuôn khổ các dự án về vệ sinh môi trường, nông nghiệp và phát triển nông thôn với nhiều kiểu thiết bị khí sinh học mới thiết bị dạng túi dẻo PE theo mẫu của Côlômbia, được phát triển nhờ dự án SAREC – S2 – VIE22 do Viện chăn nuôi Quốc gia, Hội làm vườn Trung ương (VACVINA), cục khuyến nông và Khuyến Lâm và trường Đại học Nông Lâm thành phố

Hồ Chí Minh triển khai Thiết bị nắp cố định có vòm bán cầu bằng compozit, phần đước xây bằng gặp lúc đầu có dạng hình trụ, nay “cải tiến” thành dạng hình hộp do Trung tâm

tư vấn hỗ trợ phát triển nông thôn (RDAC) thực hiện

Bên cạnh đó, nhiều Sở Khoa học Công nghệ cũng tự nhiên nghiên cứu và đưa ra những kiểu riêng như Phú Thọ, Quảng Trị…

Tóm lại, trong giai đoạn này do không có tổ chức đầu mối quản lý, nên việc phát triển công nghệ khí sinh học rất đa dạng và tự phát Để thống nhất quản lý nhà nước về công nghệ khí sinh học, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã ban hành tiêu chuẩn ngành về công trìn khí sinh học quy mô nhỏ

Tới nay ước tính số lượng công trình khí sinh học đang hoạt động trong toàn quốc vào khoảng trên 100.000 công trình, trong đó có gần 30.000 công trình là loại công nghệ túi ni long Tỉnh dẫn đầu về số lượng loại này là Tiền Giang với trên 5.000 túi Về loại thiết bị nắp cố định, tỉnh dẫn đầu là Hà Tây với khoảng trên 7.000 công trình, nhiều nhất

ở huyện Đan Phượng

1.2 Thành phần và tính chất của Biogas

Biogas là một loại năng lượng sinh học có được từ sự nén, khử hay lên men trong điều kiện yếm khí của những vật chất có nguồn gốc hữu cơ như phân chuồng, bùn trong

hệ thống cống rảnh, rác phế thải gia cư, hoặc các loại rác hữu cơ có thể bị sinh phân hủy.Biogas là một hỗn hợp khí nhẹ hơn không khí, nhiệt độ bốc lửa khoảng 7000C (đối với dầu DO, khoảng 3500C; đối với xăng gas và propane khoảng 500C) Nhiệt độ ngọn lửa

sử dụng biogas khoảng 8700C

Thành phần biogas bao gồm 50-70% CH4; 35-50%CO2, hàm lượng hơi nước khoảng 30-160 g/m3; hàm lượng H2S 4-6 g/m3 Giá trị năng lượng khoảng 5,96 kWh/m3 và tỷ trọng 0,94 kg/m3 Lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy của biogas khoảng 5,7

m3không khí/ m3biogas, với tốc độ cháy khoảng 40cm/s

Quá trình phân hủy diễn ra càng lâu, nồng độ metan và giá trị năng lượng càng cao Khi thời gian lưu ngắn, hàm lượng metan sẽ giảm xuống 50%, khi đó biogas không còn khả năng cháy nữa Vì vậy, lượng Biogas sinh ra sau 4-5 ngày đầu tiên sẽ được xả bỏ Hàm lượng khí CH4 trong biohas phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng thấp, hàm lượng

CH4 trong Biogas càng cao, nhưng lưu lượng Biogas sinh ra thì ngược lại Hàm lượng

CH4 sinh ra đối với từng loại chất thải điển hình được liệt kê như sau:

- Chất thải của trâu, bò: 65%

- Chất thải của gia cầm: 60%

- Chất thải của heo: 67%

Lượng khí sinh ra được xác định bằng (Nm3) biogas hoặc (Nm3) CH4 Việc xác định theo (Nm3) Biogas sẽ nhanh hơn, nhưng không chính xác bằng phương pháp xác định theo (Nm3) CH4.

Qua đó giá trị năng lượng của 1 m3 biogas chứa 62% CH4 khoảng 22MJ, tương ứng với năng lượng điện khoảng 6kWh Về hệ số tỷ lượng cháy, nhu cầu không khí cho quá trình cháy khoảng 9,6 m3 không khí/ m3 CH4, tức khoảng 5,75 m3 không khí/ m3 Biogas.Khí sinh học có thể sử dụng cho các mục đích như: Đun nấu, thắp sáng rất thuận tiện Ngoài ra cũng có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng dầu chạy cho động cơ đốt trong để phát điện, kéo các máy công tác ở những vùng thiếu nhiên liệu

Khí sinh học được dùng để sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh hấp phụ

và hiệu quả khi phối hợp với hầm mát để bảo quan hoa quả tươi, ngâm hạt giống

Bảng 1 Thành phần và một số tính chất cơ bản của Biogas

Thông số Đơn vị CH4 CO2 H2 H2S

Hỗn Hợp Khí Biogas ( 60% CH4 ;40% CO2)

1.3 Tổng quan công nghệ Biogas trong nông nghiệp

1.3.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất Biogas

1.3.1.1 Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật

Nguyên liệu có nguồn gốc động vật bao gồm chất thải (phân và nước tiểu) của gia súc, gia cầm và chất thải của người,…

Số lượng chất thải trên một đầu động vật phụ thuộc vào khối lượng cơ thể và chế độ dinh dưỡng Bảng 1 cho ta thấy ước tính sản lượng chất thải

Bảng 2: Lượng chất thải hàng ngày của động vật và người

Các loại chất thải này được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên dễ phân giải và nhanh chóng tại khí sinh học Tuy vậy, thời gian phân giải của phân không dài (khoảng 2-3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được cũng không lớn

Chất thải gia súc như trâu, bò, lợn phân giải nhanh hơn chất thải gia cầm và chất thải người, nhưng sản lượng khí của chất thải gia cầm và chất thải người lại cao hơn

1.3.1.2 Nguồn gốc từ thực vật

Các nguyên liệu thực vật gồm lá cây và cây thân thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm,

rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…) rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi…) và các loại cây xanh hoang dại (rông, bèo, các cây phân xanh…) Gỗ và thân cây già rất khó phân giải nên không dùng làm nguyên liệu được

Nguyên liệu thực vật thương có lớp vỏ cứng rất khó bị phân giải Để quá trình phân giải kỵ khí diễn ra được thuận lợi, người ta thường phải xử lý sơ bộ (cắt nhỏ, đập dập, ủ hiếu khí) trước khi nạp chúng vào thiết bị khí sinh học để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tích tiếp xúc cho vi khuẩn tấn công

Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với chất thải động vật Do vậy nguyên liệu thực vật nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéo dài từ 3 – 6 tháng.

1.3.1.3 Sản lượng khí thực tế của các loại nguyên liệu

Trong thực tế, sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị khí sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân giải trong một thời gian nhất định và chưa phân giải hoàn toàn

Bảng 3 cho chúng ta số liệu tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp Sản lượng khí hàng ngày được tính theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày (lít/kg/ngày) Chất thải động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàng ngày Thực vật được nạp từng mẻ

Bảng 3: Đặc tính và sản lượng khí sinh học của một số nguyên liệu thường gặp

1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản sinh khí sinh học

Quá trình phân giải tạo khí sinh học chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Chúng ta xét tới những yếu tố quan trọng nhất cần thiết trong xây dựng và vận hành thiết bị để đảm bảo cho thiết bị vận hành tốt nhất và sản sinh ra sản lượng khí sinh học như người ta mong muốn Quá trình chuyển hóa các thành phần hữu cơ tạo biogas được thực hiện bởi các nhóm VSV Các VSV này sử dụng một số enzym để làm chất xúc tác cho phản ứng sinh học Hoạt động của các enzym này đòi hỏi các điều kiện hóa lý riêng (hay còn goại là điều kiện môi trường) nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển hóa sinh học Các yếu tố hóa lý quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng sinh khối bao gồm nhiệt độ, pH, tỷ lệ

C/N, điều kiện dinh dưỡng, yếu tố gây độc của các thành phần dạng vết, tốc độ oxy hóa khử của cơ chất, thành phần độ ẩm, thời gian lưu trong hầm Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này xét trên nhiều khía cạnh khác nhau được trình bày chi tiết như sau:

a Môi trường kỵ khí

Quá trình lên men tạo khí sinh học là do những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc tham gia, trong đó các vi khuẩn sinh mê tan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện khí tuyệt đối của môi trường lên men Sự có mặt của oxy hòa tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi cho quá trình phân giải kỵ khí

b Nhiệt độ

Hoạt động của vi khuẩn sinh mê tan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ Trong điều kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 350C Sản lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm Dưới 100C quá trình sinh mê tan hầu như ngừng hẳn

Trong quá trình phân hủy tạo biogas, nhiệt độ ảnh hưởng tới tốc độ của phản ứng sinh học, độ hòa tan của các kim loại nặng (yếu tố gây độc), độ hòa tan của CO2 và thành phần biogas sinh ra Khi nhiệt độ môi trường tăng, tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng theo

và do đó tốc độ sinh khí biogas sẽ cao

Tốc độ sinh khí biogas sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 100C Tuy nhiên, điều này hầu như không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định Ba khoảng nhiệt độ mà vi khuẩn hoạt động hiệu quả nhất là:

- T < 150C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh;

- T = 15 - 450C : Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình;

- T = 45 - 650C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt;

Trong phản ứng biogas, hai khoảng nhiệt độ hoạt động của hai nhóm vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình (khoảng 25 - 370C) và vi khuẩn ưa nhiệt (khoảng 550C) là quan trọng

vì quá trình phân hủy yếm khí sẽ dừng lại khi nhiệt độ thấp hơn 100C

Vấn đề ảnh hưởng thứ 2 của nhiệt độ là độ hòa tan của CO2 và kim loại nặng Độ tan của CO2 giảm khi nhiệt độ tăng, và ngược lại, ở nhiệt độ thấp hàm lượng CO2 hòa tan trong pha lỏng sẽ cao Đối với kim loại nặng, khả năng hòa tan tăng theo nhiệt độ và do

đó, tại nhiệt độ cao, sự có mặt của chúng có thể là yếu tố gây độc

Một điểm bất lợi của quá trình phân hủy nhiệt độ cao đó là, trong thành phần biogas sinh ra sẽ có sự hiện diện của khí H2S, gây mùi hôi Sản lượng biogas sinh ra trong một

mô hình hầm ủ thông thường của Trung Quốc theo số liệu thực nghiệm khoảng 0,15 m3 khí/ m3 phân ở nhiệt độ 15 -170C; 0,2 -0,3 m3/ m3 ở 22 – 28 0C và 1,5 m3/ m3 ở 35 – 38 0C Lưu lượng biogas thu được cao nhất từ nguồn nguyên liệu phân bò khoảng 4,5 m3 CH4/

m3 phân.ngày ở nhiệt độ 35 – 38 0C ( tức khoảng 9 m3 biogas/ m3phân.ngày)

Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm đối với sự biến thiên của nhiệt độ, điều quan trọng là phải duy trì một nhiệt độ không đổi riêng biệt Nguồn nguyên liệu có nhiệt

độ thấp, hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt không tốt, hoặc quá trình vận hành để xảy ra sự phân tầng nhiệt độ… có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm năng suất sinh biogas So với vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt nhạy cảm với nhiệt độ hơn

Đồ thị 1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí với thời gian phân giải 120 ngày với các loại phân Các vi khuẩn sinh mê tan không chịu được sự thăng giáng nhiệt độ quá nhiều trong ngày Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí Vì vậy vào mùa đông cần phải giữ ấm cho thiết bị, thậm chí đối với các vùng lạnh cần phải đảm bảo cách nhiệt tốt cho quá trình lên me Đôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải gia nhiệt cho dịch men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men

Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí

c Độ pH

Độ pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn là 6,8 – 7,5 tương ứng với môi trường hơi kiềm Tuy nhiên, vi khuẩn sinh mê tan vẫn có thể hoạt động trong giới hạn độ pH từ 6,5 – 8,5

Hầm phân hủy hoạt động tốt ở pH ≥ 7,0 ( trong môi trường độ kiềm yếu) Sự xuất hiện một số ion sau có thể làm ảnh hưởng đến pH của hầm: HCO3-, H2CO3-, NH4 ,

CH3COO-, Ca2+… gốc HCO3- góp phần làm tăng độ kiềm bicacbonat thông qua phản ứng thuận nghịch sau:

HCO3- + CH3COOH ⇔ H2O + CO2 + CH3COODãy pH tối ưu của hầm ủ nằm trong khoảng trung tính (6,8 -7,4) Khi tỷ lệ sinh các axit béo bay hơi vượt quá khả năng vi khuẩn metan hóa có thể sử dụng, pH sẽ giảm xuống dưới mức tối ưu Để tăng pH trở lại, quá trình vận hành cần bổ sung thêm độ kiềm cho hầm phân hủy, lấy từ nguồn bên ngoài Độ kiềm bicabonat trong quá trình phân hủy kỵ khí cần duy trì ở mức ≥ 1.000 mg CaCO3/l để đảm bảo pH thích hợp Nếu vận hành đúng theo nguyên tắc, tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tổng công phải duy trì ở mức 0,5

-Sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của các enzym Các VSV và enzym của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ưu, thể hiện qua các tác động về chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng hoạt hóa của các enzym Mỗi enzym chỉ có hoạt tính trong một dãy pH nhất định Hiện tượng pH bị lệch khỏi khoảng pH tối ưu có thể gây ra các tác động sau đây đối với các enzym:

− Làm thay đổi độ ổn định của các nhóm enzym có khả năng ion hóa

− Làm thay đổi các thành phần enzym không có khả năng oxy hóa trong hệ thống

− Làm biến tính hệ enzym

Các vi khuẩn metan hóa nhạy cảm với sự thay đổi pH hơn so với vi khuẩn axit hóa

và chỉ hoạt động trong khoảng pH hẹp (pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn metan hóa khoảng 6,8-8,5; vi khuẩn axit hóa có thể tồn tại trong môi trường pH thấp khoảng 5,5).Nồng độ và dạng tồn tại của amonina cũng có ảnh hưởng quan trọng đến pH của hầm ủ Tuy nhiên, pH của hầm ủ cũng sẽ quyết định trạng thái tồn tại của amoniac (NH3) Amonia tồn tại ở dạng NH4+ không gây độc đối với vi khuẩn, ngược lại với amonia tự do Nồng độ NH3 ở mức 100ppm sẽ rất độc và có thể là nguyên nhân gây hỏng hầm ủ

d Đặc tính của nguyên liệu

 Hàm lượng chất khô

Hàm lượng chất khô thường biểu thị là phần trăm

Quá trình phân giải sinh khí mê tan xảy ra thuận lợi nhất khi nguyên liệu có hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 – 9% đối với chất thải động vật Đối với bèo tây hàm lượng này là 4 -5%, còn rơm rạ là 5 -8% Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị khí sinh học cần phải thêm nước Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 1 – 3 lít nước cho 1 kg chất thải tươi

Hình 3: Quan hệ giữa hàm lượng chất khô và sản lượng khí

 Tỷ lệ Cac bon và Nitơ của nguyên liệu

Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hóa học trong đó chủ yếu là cacbon (C), hydro (H), nito (N), photpho (P) và lưu huỳnh (S)

Tỷ lệ giữa các lượng cacbon và nito (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu đánh giá khả năng phân giải của nó Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nito khoảng 30 lần Vì vậy, tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu Tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân giải xảy ra chậm Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân giải ngừng trệ vì tích lũy nhiều anoniac là một độc tố đối với vi khuẩn nồng độ cao

Nói chung chất thải trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp Chất thải người và gia cầm có tỷ lệ C/N thấp Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu càng già thì

tỷ lệ càng cao Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp đối với các nguyên liệu này ta nên dùng hỗn hợp nhiều nguyên liệu

e Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân giải Đây là khoảng thời gian dịch phân giải sản sinh ra khí sinh học.

Đại lượng này được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể tích nguyên liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn vị thời gian lưu nước là ngày

Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát triển chậm nhất có thể tái sinh Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất rắn trong hầm đảm bảo được tính ổn định tốt Nếu thời gian lưu chỉ còn một nửa so với yêu cầu, lượng khí biogas sinh ra sẽ giảm và quá trình phân hủy khi đó sẽ ngưng tệ do số lượng vi khuẩn cấy được giảm đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả nữa Nếu thời gian lưu nước lớn hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 350C, lượng biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu

có tăng lên nữa thì lượng biogas cũng không tăng thêm nhiều Do đó, thời gian lưu càng lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp

Thời gian lưu và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng đối với việc loại trừ các tác nhân gây bệnh Nếu yếu tố an toàn vệ sinh và sức khỏe được xem xét đến thì các giá trị này phải lớn hơn ngưỡng giá trị nhỏ nhất

Quá trình phân hủy hoặc lên men của chất hữu cơ dưới điều kiện kỵ khí diễn ra rất chậm, do đó những cơ chất này phải được duy trì trong hầm ủ trong thời gian dài để quá trình phân hủy diễn ra hoàn toàn Thời gian lưu biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị hóa giải dưới điều kiện này Trong một số thiết kế hầm biogas, phần tế bào hoạt tính ở đầu

ra được tuần hoàn lại hầm phân hủy nhằm tăng thời gian lưu của phần sinh khối này.Thời gian lưu của các nguồn cơ chất khác nhau được quyết định bởi khả năng phân hủy sinh học của chúng, khả năng thích ứng với các enzym và tính chất lý hóa của nguồn

cơ chất Thời gian lưu quyết định chi phí xây dựng hầm ủ Thời gian lưu càng cao, đồng nghĩa lượng khí sinh ra sẽ nhiều hơn nhưng điều đó sẽ làm gia tăng chi phí đầu tư ban đầu của hầm ủ Thời gian lưu ngắn sẽ dẫn đến hiện tượng tổn thất sinh khối và gia tăng chi phí vận hành

Thời gian phân hủy của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Ở giai đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một khoảng thời gian lưu, nó

Thể tích hầm phân hủy (m 3 )

T (ngày) = Khối lượng nguyên liệu đầu vào (m 3 / ngày)

tiến tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất Đối với vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, thời gian phân hủy tối ưu khoảng 20-30 ngày Đối với vi khuẩn ưa nhiệt thời gian phân hủy chỉ từ 3-10 ngày Chủng loại vi khuẩn này có thể phân hủy tạo lượng khí nhiều hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn.

Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày Khi một lượng nguyên liệu mới nạp vào, bó sẽ chiếm chỗ cho nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ

về phía lối ra Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từ lối vào tới lối ra Trong điều kiện Việt Nam, tiêu chuẩn ngành 10TCN 97-2006 đã quy định thời gian lưu đối với chất thải động vật như bảng 3

Bảng 4: Thời gian lưu đối với chất thải động vật theo tiêu chuẩn ngành

f. Thành phần độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào

Nước là nhu cầu tất yếu cho sự sống và hoạt động của vi sinh vật Hơn nữa, nước

là môi trường cần thiết cho sự di chuyển của vi khuẩn, hoạt động của các enzym ngoại bào và thủy hóa các polyme sinh học, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy

Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nước trong hầm phân hủy sẽ làm tăng thể tích hầm và trở nên cồng kềnh Do đó, độ ẩm trong hầm phải được duy trì ở mức tối ưu Hàm lượng độ ẩm đối với từng loại cơ chất khác nhau sẽ khác nhau, tùy thuộc vào tính chất hóa học và khả năng phân hủy sinh học của chúng Theo các nguyên cứu cho thấy, hiệu suất của quá trình phân hủy sẽ giảm khi hàm lượng chất rắn lơ lửng (TS) tăng Do đó điều quan trọng là phải xác định hàm lượng TS tối ưu cho hỗn hợp nguyên liệu đầu vào theo từng loại nguyên liệu và từng kiểu hầm ủ khác nhau Ví dụ như trường hợp nguyên liệu đầu vào là phân bò, có hàm lượng TS 18%, do đó phải hòa trộn với nước theo tỷ lệ 1:1 về khối lượng để đảm bảo hỗn hợp thu được có nồng độ TS 9% Hỗn hợp phân bò dạng bùn nhão này sẽ dễ thao tác và tự chảy dễ dàng vào hầm phân hủy

Đối với các dạng hầm ủ mà nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn như giấy, bã mía, sinh khối… với tỷ trọng tương đối thấp thì lực đẩy nổi từ các bọt khí bám chặt vào sẽ làm

nguyên liệu nổi lên trên mặt hầm ủ, khi đó quá trình phân hủy sẽ không diễn ra được Chính vì vậy quá trình phân hủy đòi hỏi phải có sự hiện diện của pha lỏng Trong trường hợp nguyên liệu là sinh khối thải, nguyên cứu cho thấy, sinh khối bùn tươi sẽ phân hủy dễ dàng hơn so với bùn khô.

Khi thành phần độ ẩm quá cao, điều đó có nghĩa là nhiệt độ chất thải thấp, kết quả là sản lượng biogas sinh ra sẽ giảm Nếu thành phần độ ẩm quá thấp, các axit hoạt tính sẽ tích lũy và gây trở ngại cho quá trình lên men Đối với hầu hết các loại hầm ủ biogas, tỷ lệ nguyên liệu thô đầu vào: nước lý tưởng phải đạt mức 1:1 Hàm lượng TS tối ưu khoảng 7-9%

Sản lượng khí biogas sinh ra là phụ thuộc vào hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu đầu vào và khả năng phân hủy sinh học của chúng trong hầm phân hủy Hàm lượng TS càng cao, hầm phân hủy sẽ có thể tích càng nhỏ và chi phí đầu tư cho hệ thống sẽ thấp.Tuy nhiên, một số nguyên cứu về vai trò của nước trong hầm lên men kỵ khí cho thấy, xét một cách tương đối, thành phần chất hữu cơ khô, khi lên men cũng có thể chuyển hóa thành metan hiệu quả Nghiên cứu cũng cho thấy, tốc độ và hiệu suất của quá trình lên men kỵ khí không ảnh hưởng bởi thành phần độ ẩm khi hàm lượng độ ẩm thấp hơn 68% tổng khối lượng (khi hàm lượng độ ẩm giảm xuống 60-68% tổng khối lượng sẽ gây ra hiện tượng tích tụ các axit bay hơi và ức chế khả năng tạo khí Biogas) Quá trình lên men khi hàm lượng nước thấp hơn 68% được gọi là lên men khô

g Các độc tố

Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số độc tố Khi hàm lượng của các loại này có trong dịch phân giải vượt quá một giới hạn nhất định sẽ tiêu diệt các vi khuẩn,

vì thế không cho phép các chất này có trong dịch phân giải

Trong thực tế các loại hóa chất như thuốc trừ sau, diệt cỏ, thuốc sát trùng, các chất kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn và các chất tẩy rửa không được cho phép vào các thiết bị khí sinh học

Bảng 5 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại

Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

Bảng 6: Tóm tắt điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học

1.3.3. Nguyên lý của quá trình chuyển hóa

Về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giữ trong hầm kín vài ngày sẽ chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạnh khí – khí sinh học (Biogas), có khả năng cháy được với thành phần chính là metan và cacbon dioxide, trong đó thành phần metan chiếm khoảng trên 50% Quá trình này được gọi là quá trình lên men kỵ khí hoặc quá trình sản xuất khí metan sinh học

Một hệ thống biogas bao gồm hầm biogas, thiết bị thu khí được lắp đặt trực tiếp trên nắp hầm, hệ thống ngăn và đường ống cấp nguyên liệu đầu vào (chất thải thô và nước) Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đường ống dẫn chất thải (bùn sau khi lên men)

để sử dụng làm phân bón sinh học

Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật sẽ được các

vi sinh vật kỵ khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dưỡng cơ bản có ích cho thực vật và đất mùn Quá trình này đòi hỏi một số điều kiện tối ưu như độ ẩm,

nhiệt độ, bóng tối…trong hầu hết các giai đoạn của quá trình phân hủy, không có sự hiện

diện của oxy từ môi trường không khí, sự tồn tại của vi khuẩn kỵ khí chiếm ưu thế,

chuyển hóa các hợp chất dạnh hydrocacbon Các thành phần dinh dưỡng như hợp chất

chứa nitơ dạng hòa tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân hủy và là nguồn phân bón

giàu dinh dưỡng cho đất mùn

Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn thủy phân

- Giai đoạn hình thành axit

- Giai đoạn lên men metan

Các giai đoạn này được thực hiện bởi 2 loại vi khuẩn – vi khuẩn axit hóa và vi

khuẩn metan hóa Chu trình chuyển chất thải hữu cơ thành biogas qua các phản ứng phức

tạp, về cơ bản có thể chia thành 2 pha chính:

- Pha 1 – pha axit: Bao gồm giai đoạn thủy phân và giai đoạn tạo axit liên kết với nhau,

trong đó các chất thải hữu cơ sẽ chuyển hóa phần lớn thành acetate

- Pha II – pha metan: Là giai đoạn 3 trở lên, trong đó khí CH4 và CO2 được tạo thành

Hai bước đầu tiên của quá trình là nhân tố chính, qua đó liên kết các hợp chất hữu

cơ mạch dài bị bẽ gãy, hình thành axit Khí metan được sinh ra do hoạt động của vi khuẩn

kỵ khí, chủ yết tại bước 3 Ba bước chính của quá trình như sau:

Tạo axit ( thủy phân)

Biogas CH4 và CO2

Axit aceticAxit HC yếuRượu

ProteinCacbonhydratChất béo

Axit acetic

Vi khuẩn lên men Vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn metan hóa

Hình 4 Các bước của quá trình tạo khí metan

Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

a. Giai đoạn tạo axit (Thủy phân)

Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị khử thành các monome (phân tử cơ bản) Sản phẩm của quá trình bao gồm:

- Chất béo axit béo

- Protein amino axit

- Hydratcacbon đường

Sản phẩm của giai đoạn này sẽ được các vi khuẩn lên men chuyển hóa, hình thành các sản phẩm như:

- H, H2O, CO2, NH4, H2S

- Axit acetic CH3COOH

- Rượu và các axit hữu cơ yếu

b. Giai đoạn khử axit

Trong bước này vi khuẩn acetogeic sẽ chuyển hóa rượu và các axit hữu cơ yếu thành các sản phẩm sau:

- H, H2O, CO2.

- Axit acetic CH3COOH

c. Giai đoạn tạo CH 4

Trong bước thứ 3 – bước cuối cùng của quá trình chuyển hóa, axit acetic được hình thành ở bước 1 và 2 sẽ chuyển hóa thành CH4 và CO2 nhờ hoạt động của vi khuẩn metan.Trong quá trình phân hủy sẽ xuất hiện các bọt khí H2S nhỏ và tích lũy một phần nhỏ trong thành phần khí biogas Khí H2S được sinh ra trong giai đoạn thủy phân khi các VSV

bẽ gãy amino axit methionine thiết yếu Trong giai đoạn metan hóa, H2S cũng tiếp tục được sinh ra do các nhóm VSV khử sunfat khác nhau sử dụng axit béo (đặc biệt là acetat), protein làm nguốn cơ chất cho quá trình phân hủy

Cả 3 giai đoạn trên càng có sự lên kết thì quá trình phân hủy, lên men chất hữu cơ trong hầm ủ diễn ra càng nhanh

Nguyên liệu thô Quá trình chuyển hóa Sản phẩm cuối cùng

CH4 (50-60% )

CO2 (30-40%)N

H

H2S

2 Chất hữu cơ N và xenlulo chứa lignin = nguồn cacbon

Hình 5 Lược đồ của quá trình phân hủy kỵ khí

Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

Trong suốt pha đầu tiên của quá trình phân hủy, một lượng lớn khí CO2 được sinh

ra và giá trị pH sẽ giảm xuống khoảng 6,2 (pH<6,2 là một yếu tố bất lợi đối với hoạt động của VSV) Sau thời gian khoảng 10 ngày, pH bắt đầu tăng ổn định, giá trị đạt khoảng 7,0 – 8,0 Nhiệt độ của quá trình thấp dưới 150C sẽ hạn chế khả năng sinh biogas Nói chung, nhiệt độ càng cao thì lượng biogas sinh ra càng nhiều, giảm được thời gian lưu phân trong hầm và làm tăng năng suất

Bảng 7 Đặc điểm của quá trình chuyển hóa sinh hóa

Thủy phân Nhiệt độ càng

cao, chuyển hóa càng nhanh,

Quá trình lên men

1 1 Tạo axit (từ chất

béo, xululo, protein

2 2 Khử axit ( tạo ra

CH3COOH, H, CO2)

3 3 Tạo khí CH4, H,

CO2Thu nhiệt

Các bước Nhiệt độ pH Môi trường Thế oxy hóa khử

trung bình ( mesophilic):~

350C; VK ưa nhiệt

( thermophilic): ):~ 550C

Metan hóa

Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

Các phản ứng sinh học diễn ra trong các pha lên men kỵ khí ở trên là một chuỗi phức tạp, từ hợp chất ban đầu là xelulo, để tạo thành sản phẩm cuối cùng là biogas, sẽ có các sản phẩm trung gian như axit focmic, axit acetic, axit propionic và axit butrric…phản ứng tổng quát của quá trình này như sau:

CnHaOb + ( n - a/4 – b/2) H2O (n/2 – a/8 + b/4)CO2 + ( n/2 + a/8 – b/4 )CH4

Bảng 8 Các phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ ứng với các loại cơ chất

Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher

Giả sử 100% cơ chất đều có khả năng phân hủy sinh học và không tính đến phần

cơ chất chuyển hóa thành tế bào thì phương trình phản ứng trên là cơ sở lý thuyết để xác định lượng biogas sinh ra cực đại

Nhiệt lượng tỏa ra của phản ứng tren khoảng 1,5Mj/kg nguyên liệu khô, tương ứng với cơ chất là C6H12O5, thì lượng nhiệt tỏa ra khoảng 250Kj/mol C6H12O5 Lượng nhiệt này không đủ để nâng nhiệt độ của cơ chất đầu vào

Trong thực tế, quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian dài, do đó hiệu suất của quá trình ít khi đạt trạng thái hoàn toàn, chỉ khoảng 60% cơ chất được chuyển hóa Sản

lượng biogas sinh ra khoảng 0,2 – 0,4 m3/kg nguyên liệu đầu vào, với hàm lượng chất rắn khoảng 5 kg/1 m3 chất lỏng.

Quá trình phân hủy diễn ra ở ba dãy nhiệt độ khác nhau, tương úng với 3 nhóm VSV đặc trưng Hiệu suất sinh khí càng tăng khi nhiệt độ càng tăng vì tốc độ phản ứng ở nhiệt độ cao diễn ra nhanh hơn so với nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ gia tăng 100C, tốc độ sinh khí sẽ tăng gấp đôi Ba khoảng nhiệt độ làm việc, ứng với 3 nhóm VSV khác nhau:

- T = 10 - 200C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh, thời gian lưu trên 100 ngày

- T = 20 - 350C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, thời gian lưu khoảng

20 ngày

- T = 50 - 600C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt, thời gian lưu trên 8 ngày

Nguyên tắc thành công của quá trình vận hành hệ thống biogas là duy trì điều kiện nhiệt độ và nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào ổn định Khi đó, mật độ vi khuẩn sẽ đảm bảo đủ để đáp ứng những điều kiện trên

CHƯƠNG 2.

NGÀNH CHĂN NUÔI VÀ VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG PHÁT SINH

Việt Nam với khoảng 73% dân số sống ở vùng nông thôn, phát triển kinh tế nông nghiệp và nông thôn là một trong những mục tiêu được Đảng và Nhà nước hết sức chú trọng, trong đó có phát triển kinh tế hộ gia đình thông qua các hoạt động phát triển chăn nuôi Bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, thì chăn nuôi cũng đang nảy sinh rất nhiều vấn đề

về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe của cộng đồng dân cư địa phương và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái tự nhiên mà nguyên nhân chính là do sự phát triển mạnh

mẽ của ngành chăn nuôi, cộng với trình độ quản lý các loại chất thải chăn nuôi của người dân thấp.Theo đánh giá của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất Chăn nuôi Việt Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu

Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh Tổng

số lượng đàn gia súc, gia cầm cũng tăng lên nhanh chóng: tổng số đàn lợn tăng từ 26,6 triệu con năm 2007 lên 27,4 triệu con năm 2010 ; đàn gia cầm tăng từ 226 triệu con năm

2007 lên 300,5 triệu con năm 2010

Bảng 9 Số lượng một số gia súc, gia cầm tại Việt Nam giai đoạn 2000-2011

Nghìn con Triệu con

Theo bản thống kê báo cáo tình hình sản xuất, tiêu thụ sản phẩm chăn nuôi 6 tháng đầu năm 2012 như sau

- Tình hình sản xuất chăn nuôi lợn

+ Tổng đàn lợn hiện nay là khoảng 26,7 triệu con, tăng 1,5% so với cùng kỳ năm 2011;+ Đàn lợn lái khoảng 4,15 triệu con, tăng 8,7% so với cùng kỳ

Tuy nhiên đàn bò sữa hiện nay đạt khoảng 158,0 ngàn con tang 10,7% so với cùng

kỳ năm 2011

- Chăn nuôi các loại gai súc khác (dê, cừu, thỏ…): ước tính tăng khoảng 2-3%.Hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ trong các hộ gia đình vẫn còn phổ biến: Nhìn chung thì hình thức chăn nuôi phân tán, nhỏ lẻ, tập trung ở các hộ nông dân vẫn là chủ yếu Các hộ nông dân thường nuôi từ 2 đến 3 con trâu bò, 5 đến 10 con lợn và 20 đến 30 con gia cầm/hộ Đây là hình thức chăn nuôi truyền thống đã có từ lâu đời ở nông thôn Việt Nam, việc chăn nuôi nhỏ lẻ theo hộ gia đình này có thể kết hợp được với trồng trọt, tận dụng các phế phẩm thừa của nông nghiệp, quy mô nhỏ, ít gây ô nhiễm cho môi trường và hiệu quả kinh tế không cao

Bảng 10 Số lượng các trang trại chăn nuôi trên cả nước

3 Bắc trung bộ và duyên hải miền trung 3.173 13,5

Nguồn: Cục chăn nuôi, 2010

Hình 6 Hình ảnh chăn nuôi gia cầm trong hộ gia đình

Bên cạnh đó, trong những năm gần đây việc phát triển chăn nuôi theo quy mô trang trại tập trung đã phát triển: Xu hướng chuyển từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán theo hộ gia đình dần chuyển theo chăn nuôi trang trại tập trung theo hướng sản xuất hàng hóa diễn

ra mạnh ở nước ta Trong giai đoạn 2006 đến 2010 thì số lượng các trang trại chăn nuôi ở nước ta phát triển mạnh mẽ về số lượng cũng như quy mô Năm 2006 cả nước có khoảng 17.721 đến năm 2010 đã tăng lên 23.558 trang trại Việc tập trung chăn nuôi theo trang trại đem lại hiệu quả kinh tế cao đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế hàng hóa nhưng những trang trại theo hướng chuyên môn hóa cao đã gây ra sự ô nhiễm môi trường

Phát triển chăn nuôi theo hướng tập chung 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

2009, Việt Nam có tổng số dân là 85.789.773 người, là một trong 10 quốc gia có mật độ dân số cao nhất trên thế giới (khỏang 260 người/km2) 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

Hình 7 Chăn nuôi quy mô trang trại tập trung

Thực trạng về quản lý và xử lý trong chăn nuôi

Do các chất thải chăn nuôi đã làm ảnh hưởng trực tiếp tới hệ sinh thái, chuỗi thức ăn

và sức khỏe con người Trong quá trình chăn nuôi gia súc và gia cầm, quá trình lưu trữ và

sử dụng chất thải tạo nên nhiều chất độc như là SO2, H2S, CO2, NH3, Và các vi sinh vật

có hại như Enterobacteracea, E.coli, Salmonella Hay các ký sinh trùng gây bệnh cho người Các yếu tố này có thể gây ô nhiễm khí quyển, nguồn nước thông qua các quá trình lan truyền độc tố và các nguồn gây bệnh hay quá trình sử dụng các sản phẩm chăn nuôi Những vấn đề này cần được giải quyết và quản lý chặt chẽ.

Hiện nay ở nước ta, phương thức chăn nuôi nông hộ vẫn chiếm tỷ lệ lớn Vì vậy, việc xử lý và quản lý chất thải vật nuôi ở nước ta gặp nhiều khó khăn Những năm qua, chất thải vật nuôi trong nông hộ được xử lý bằng 3 biện pháp chủ yếu sau đây:

- Chất thải vật nuôi thải trực tiếp ra kênh mương và trực tiếp xuống ao, hồ;

- Chất thải được ủ làm phân bón cho cây trồng;

- Chất thải chăn nuôi được xử lý bằng công nghệ khí sinh học (biogas)

Bên cạnh đó còn có một số phương pháp khác, nhưng chưa được nhân rộng như xử

lý chất thải bằng sinh vật thủy sinh (cây muỗi nước, bèo lục bình ), xử lý bằng hồ sinh học

Theo kết quả thống kê năm 2010, cả nước có khoảng 8.500.000 hộ có chuồng trại chăn nuôi quy mô hộ gia đình; khoảng 18.000 trang trại chăn nuôi tập trung Các trang trại chăn nuôi tập trung quy mô lớn phần lớn có hệ thống xử lý chất thải với các loại công nghệ khác nhau, nhưng hiệu quả xử lý chưa triệt để Chăn nuôi hộ gia đình mới có khoảng 70% tương ứng với khoảng 5.950.000 hộ có chuồng trại chăn nuôi, trong đó mới có khoảng 8,7% hộ chăn nuôi có công trình khí sinh học (hầm Biogas) Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũng chỉ chiếm khoảng 10% Còn khoảng 23% số hộ chăn nuôi không xử lý chất thải vật nuôi và chỉ có 0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường Số trang trại chăn nuôi có hệ thống xử lý chất thải bằng biogas khoảng 67% Trong đó chỉ có khoảng 2,8% có đánh giá tác động môi trường

Bảng 11 Thực trạng quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi

thức chăn

nuôi

Số lượng

Tỷ lệ

%

Số lượng

Tỷ lệ

%

Số lượng

Tỷ lệ

%

Số lượng

Tỷ lệ

%

Số lượng

Tỷ lệ

%

Số lượng

Nguồn: Báo cáo công tác BVMT trong chăn nuôi năm 2009.

Do nhiều nguyên nhân khiến công tác bảo vệ môi trường trong hoạt động chăn nuôi vẫn còn nhiều mặt tiêu cực, tình trạng gây ô nhiễm môi trường của một số cơ sở chăn nuôi lớn

và chăn nuôi trong khu dân cư vẫn chưa được khắc phục triệt để và có chiều hướng gia tăng

2.2 Nguồn gây ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi

2.2.1 Sự phát triển chăn nuôi và vấn đề môi trường

Ở các nước chăn nuôi công nghiệp, chăn nuôi là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn nhất Chăn nuôi sử dụng tới 70% diện tích đất giành cho nông nghiệp hoặc 30% diện tích bề mặt của hành tinh Trên toàn cầu, có 4 nguồn phát thải lớn nhất khí nhà kính: sử dụng năng lương hóa thạch, sản xuất công nghiệp, chăn nuôi (bao gồm cả sử dụng phân bón từ chăn nuôi) và khí sinh ra từ công nghiệp lạnh Chăn nuôi sản sinh ra tới 18% tổng số khí nhà kính của thế giới tính quy đổi theo CO2, trong khi đó ngành giao thông chỉ chiếm 13,5% Chăn nuôi sinh ra 65% tổng lượng NO, 37% tổng lượng CH4 hay 64% tổng lượng NH3 do họat động của loài người tạo nên Chăn nuôi đóng góp đáng kể đến việc làm tăng nhiệt độ trái đất do sản sinh các khí gây hiệu ứng nhà kính như CH4, CO2, NH3…, gây nhiều hậu quả nghiêm trọng cho sản xuất, sinh hoạt và biến đổi khí hậu toàn cầu Các khí dioxyt carbon (CO2), metan (CH4) và oxyt nito (NO2) là 3 lọai khí hàng đầu gây hiệu ứng nhà kính và làm tăng nhiệt độ trái đất, trong đó khí metan và oxyt nitơ là hai khí chủ yếu tạo ra từ họat động chăn nuôi và sử dụng phân bón hữu cơ Tác dụng gây hiệu ứng khí nhà kính của chúng tương ứng gấp 25 và 296 lần so với khí CO2 sinh ra chủ yếu từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch Theo Klooster (1996), thì lượng ammoniac (NH3), một khí có thể chuyển hóa thành khí oxyt nitơ, phát xạ từ chăn nuôi vào khí quyển vào khoảng 45 Tg N/năm (1Tg = 1012 g), nhiều hơn bất kỳ từ nguồn nào khác Để sản xuất 1.000 kg thịt lợn thì hàng ngày sản sinh ra 84 kg nước tiểu,

39 kg phân, 11 kg TS (chất rắn tổng số), 3,1 kg BOD5 (nhu cầu oxy sinh hóa, một chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải), 0,24 NH4-N (ASAE standards) chưa

kể ô nhiễm từ nước tắm và rửa chuồng

Hình 8 Các nguồn chính phát thải khí nhà kính trên thế giới

2.2.2 Nguồn gây ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi

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 hay xử lý chất thải Chất thải chăn nuôi chứa nhiều thành phần có khả năng gây ô nhiễm môi trường, làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của gia súc, gia cầm và sức khỏe của con người Vì vậy, việc hiểu rõ thành phần và các tính chất của chất thải chăn nuôi