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 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 hoàn thành với trợ giúp kinh phí của: Đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp khoa học công nghệ chăn nuôi lợn công nghiệp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường” Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014 Chủ trì đề tài: PGS.TS Vũ Chí Cương Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi Dự án Hợp tác quốc tế với Đan Mạch: 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 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các tài liệu, kết luận văn trung thực, nguồn gốc rõ ràng chưa có công bố công trình nào./ Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Mai Phương ii 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 quan tâm tận tình hướng dẫn em để hoàn thành luận văn này; Em xin chân thành cám ơn tới TS Phạm Hùng Cường tận tình hướng dẫn em suốt trình làm đề tài cán bộ, nhân viên Viện Chăn Nuôi Quốc Gia, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập Viện; Tôi xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ, nghiên cứu viên kỹ thuật viên Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; Trung tâm Thực nghiệm Bảo tồn vật nuôi - Viện Chăn nuôi, giúp đỡ cho trình thực đề tài; Em xin trân trọng cám ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, thầy giáo, cô giáo Khoa Chăn nuôi thú y, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn Nhân dịp này, xin gửi lời cám ơn tới lãnh đạo, bạn bè đồng nghiệp công tác Viện Chăn nuôi Quốc gia; Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; nơi làm việc, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian làm việc, học tập nghiên cứu khoa học quan; Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình bên cạnh động viên hỗ trợ để hoàn thành khóa học./ Trân trọng cám ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Mai Phương iii 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 CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình chăn nuôi lợn giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình chăn nuôi lợn giới 1.1.2 Tình hình chăn nuôi lợn Việt Nam .3 1.2 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn .5 1.3 Hiện trạng dự báo quản lý chất thải chăn nuôi lợn Việt Nam 1.4 Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn 1.4.1 Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun 1.4.2 Xử lý chất thải dung dịch vi sinh vật hữu ích .9 1.4.3 Xử lý chất thải rắn phương pháp ủ phân hữu 10 1.4.4 Xử lý chất thải 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 công nghệ khí sinh học 10 1.5.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ sản xuất biogas .11 1.5.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới trình sinh khí methane 12 1.5.4 Các công nghệ biogas phát triển Việt Nam 12 1.5.5 Một số biện pháp nâng cao khả xử lý biogas .14 1.5.6 Đặc điểm mục đích sử dụng chất thải sau biogas 15 1.6 Cơ sở khoa học việc bổ sung số chất phụ gia tự nhiên .17 1.6.1 Dịch cỏ 17 1.6.2 Bùn ao tù 18 1.6.3 Nước thải sau biogas 19 1.7 Tình hình nghiên cứu nước nước 19 1.7.1 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.7.2 Tình hình nghiên cứu nước 20 Luận văn hoàn thành với trợ giúp kinh phí của: Đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp khoa học công nghệ chăn nuôi lợn công nghiệp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường” Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014 Chủ trì đề tài: PGS.TS Vũ Chí Cương Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi Dự án Hợp tác quốc tế với Đan Mạch: 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 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU TS (Total Solid) Tổng hàm lượng chất rắn COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học BOD (Biological Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh học VS (Volatile Solid) Chất rắn dễ bay SS (Suspended Solid) Chất rắn lơ lửng vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số lượng lợn nuôi giới Bảng 1.2 Số lượng lợn nuôi quốc gia khu vực Đông Nam Á Bảng 1.3 Lượng dinh dưỡng có 1m3 chất thải* Bảng 1.4 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn Bảng 1.5 Một số thành phần chất thải sau biogas số loại phân 16 Bảng 1.6 Một số thành phần dịch cỏ cừu ăn phần khác 17 Bảng 2.1 Tỷ lệ phối trộn phân, nước tiểu, phụ gia nước công thức 24 Bảng 3.1 Khả sinh khí biogas điều kiện mùa hè 28 Bảng 3.2 Khả sinh khí biogas điều kiện mùa đông 29 Bảng 3.3 Khả sinh khí methane điều kiện mùa hè 30 Bảng 3.4 Khả sinh khí methane điều kiện mùa đông 31 Bảng 3.5 Nhiệt độ nước thải trước biogas sau biogas mùa hè 32 Bảng 3.6 Nhiệt độ nước thải trước biogas sau biogas mùa đông 32 Bảng 3.7 pH nước thải trước biogas sau biogas mùa hè 33 Bảng 3.8 pH nước thải trước biogas sau biogas mùa đông 34 Bảng 3.9 Vật chất khô nước thải trước biogas sau biogas mùa hè 34 Bảng 3.10 Vật chất khô nước thải trước biogas sau biogas mùa đông 35 Bảng 3.11 Chất rắn dễ bay nước thải trước biogas sau biogas mùa hè (lít/kg) 35 Bảng 3.12 Chất rắn dễ bay nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (lít/kg) 36 Bảng 3.13 Oxy hóa học nước thải trước biogas sau biogas mùa hè (mg/l) 36 Bảng 3.14 Oxy hóa học nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (mg/l) 37 Bảng 3.15 Oxy sinh học nước thải trước biogas sau biogas mùa hè (mg/l) 38 Bảng 3.16 Oxy sinh học nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (mg/l) 38 Bảng 3.17 Nitơ nước thả i trước biogas sau biogas mùa hè (mg/l) 39 Bảng 3.18 Nitơ nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (mg/l) 39 Bảng 3.19 Phospho nước thải trước biogas sau biogas mùa hè (mg/l) 40 Bảng 3.20 Phospho nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (mg/l) 40 Bảng 3.21 Coliform nước thải trước biogas sau biogas mùa hè (1000 cfu/ml) 41 Bảng 3.22 Coliform nước thải trước biogas sau biogas mùa đông (1000 cfu/ml) 41 Bảng 3.23 Kết phân tích chất rắn dễ bay (%) nước thải sau biogas 42 Bảng 3.24 Khả sinh khí biogas methane mùa đông 43 Bảng 3.25 Khả sinh khí biogas methane mùa hè 44 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Diễn biến số lượng lợn nuôi Việt Nam từ năm 2009 đến 2013 .4 Hình 1.2 Lượng CO2 phát thải từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam năm 2011 dự báo đến năm 2030 [30] .7 Hình 1.3 Phát thải khí CO2 từ khâu quản lý chất thải số động vật nuôi Việt Nam năm 2012 [30] Hình 1.4 Phát thải khí CO2 từ quản lý chất thải chăn nuôi lợn Việt Nam giai đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 2050 [30] .8 Hình 1.5 Sơ đồ trình lên men tạo khí methane 11 Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 23 Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 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 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Diễn biến số lượng lợn nuôi Việt Nam từ năm 2009 đến 2013 .4 Hình 1.2 Lượng CO2 phát thải từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam năm 2011 dự báo đến năm 2030 [30] .7 Hình 1.3 Phát thải khí CO2 từ khâu quản lý chất thải số động vật nuôi Việt Nam năm 2012 [30] Hình 1.4 Phát thải khí CO2 từ quản lý chất thải chăn nuôi lợn Việt Nam giai đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 2050 [30] .8 Hình 1.5 Sơ đồ trình lên men tạo khí methane 11 Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 23 Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 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 44 Hình 3.3 Đồ thị tích lũy CH4 mùa Hình 3.4 Đồ thị tích lũy CH4 mùa đông đông (ml) (ml/g VS) Kết tiềm sinh khí methane thấp mùa đông công thức CT5 (bổ sung bùn ao + dịch cỏ) sai khác ý nghĩa (P>0,05) với CT4 (bổ sung nước thải sau biogas); mùa hè tiềm sinh khí methane thấp công thức CT4 (bổ sung nước thải sau biogas) Như điều kiện nhau, kết mùa thể xu hướng bổ sung nước thải sau biogas vào nguyên liệu nạp khả xử lý tốt hơn, tiềm sinh khí methane lại nước thải thấp Theo Thygesen Ole cs., (2014) [55], nước thải sau biogas tiềm sản sinh khí methane đáng kể, việc tái sử dụng nước thải sau biogas có tác dụng tăng cường khả sinh khí biogas xử lý chất thải chăn nuôi Bảng 3.25 Khả sinh khí biogas methane mùa hè Chỉ tiêu CT1 (n=9) a CT2 (n=9) b CT3 (n=9) CT4 (n=9) ab ab CT5 (n=9) Tích lũy biogas (ml) 90,60 ± 31,70 53,56 ± 23,00 56,78 ± 24,79 74,67 ± 23,12 61,83ab ± 28,00 Năng suất sinh khí biogas (ml/g VS) 48,85a ± 17,37 34,74a ± 16,26 29,46a ± 13,43 30,54a ± 13,97 36,83a ± 15,46 Tích lũy CH4 (ml) 20,42a ± 8,63 7,28b ± 3,60 7,78b ± 2,27 9,72b ± 5,85 9,27b ± 4,73 Năng suất sinh khí CH4 (ml/g VS) 11,25a ± 4,93 4,57b ± 1,72 4,10b ± 1,36 3,58b ± 1,70 5,52b ± 2,61 Theo hang ngang, số trung bình mang chữ khác sai khác chúng có ý nghĩa thống kê (P[...]... 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 2 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. .. Môi trường chăn nuôi - Viện Chăn nuôi 2.3 Nội dung nghiên cứu - 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 2.4 Sơ đồ nghiên cứu - Nội dung 1: Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 1 24... 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. .. 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... 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. .. 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 16 Phụ phẩm của bể khí sinh học là một loại phân hữu cơ có hàm lượng cao các chất dinh... 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)... 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 23 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... 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. .. 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 ... thi trc biogas v sau biogas ụng 32 Bng 3.7 pH nc thi trc biogas v sau biogas hố 33 Bng 3.8 pH nc thi trc biogas v sau biogas ụng 34 Bng 3.9 Vt cht khụ nc thi trc biogas v sau biogas. .. ca b sung cht ph gia t nhiờn n kh nng sn sinh khớ sinh hc (biogas) ca phõn ln v cht lng nc thi sau biogas Mc tiờu ca ti - Nghiờn cu nh hng ca b sung cht ph gia t nhiờn n kh nng sn sinh khớ sinh. .. thi trc biogas v sau biogas hố (mg/l) 36 Bng 3.14 Oxy húa hc nc thi trc biogas v sau biogas ụng (mg/l) 37 Bng 3.15 Oxy sinh hc nc thi trc biogas v sau biogas hố (mg/l) 38 Bng 3.16 Oxy sinh hc