ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung chất mồi (inoculum) đến quá trình lên men và sinh khí metan của chất thải hỗn hợp (phân và nước tiểu) ở điều kiện in vitro

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VIỆT HÙNG ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ BỔ SUNG CHẤT MỒI (INOCULUM) ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN VÀ SINH KHÍ METAN CỦA CHẤT THẢI HỖN HỢP (PHÂN VÀ NƯỚC TIỂU) Ở ĐIỀU KIỆN IN VITRO LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2015 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VIỆT HÙNG ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ BỔ SUNG CHẤT MỒI (INOCULUM) ĐẾN QUÁ TRÌNH LÊN MEN VÀ SINH KHÍ METAN CỦA CHẤT THẢI HỖN HỢP (PHÂN VÀ NƯỚC TIỂU) Ở ĐIỀU KIỆN IN VITRO Chuyên ngành: Chăn nuôi Mã số: 60.62.01.05 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Chí Cương TS Phạm Kim Đăng HÀ NỘI, NĂM 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa dùng để bảo vệ lấy học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cám ơn, thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày… tháng… năm… Tác giả luận văn Nguyễn Việt Hùng Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn, nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy cô giáo, giúp đỡ, động viên bạn bè, đồng nghiệp gia đình Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Vũ Chí Cương TS Phạm Kim Đăng tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực đề tài Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Sinh lý – Tập tính động vật Khoa Chăn nuôi - Học viện Nông nghiệp Việt Nam tận tình giúp đỡ trình học tập, thực đề tài hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán Trung tâm thực nghiệm Bảo tồn – Viện Chăn nuôi giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ mặt, động viên khuyến khích hoàn thành luận văn./ Hà Nội, ngày tháng năm… Học viên Nguyễn Việt Hùng Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt v Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vii Trích yếu luận văn viii Thesis abstract ix Phần Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiến đề tài Phần Tổng quan tài liệu 2.1 Khái niệm chất thải chăn nuôi 2.1.1 Chất thải chăn nuôi 2.1.2 Mô hình dòng chảy chất thải chăn nuôi 2.1.3 Tính chất đặc điểm chung loại chất thải chăn nuôi 2.2 Xử lý chất thải biogas 2.2.1 Nguyên lý trình xử lý chất thải chăn nuôi biogas 2.2.2 Tiềm sinh biogas chất thải chăn nuôi 12 2.2.3 Ảnh hưởng kỹ thuật biogas đến mầm bệnh ký sinh trùng số vi khuẩn gây bệnh 13 2.2.4 Ưu điểm hạn chế xử lý chất thải chăn nuôi kỹ thuật biogas 14 2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình sinh khí CH4, hiệu suất sinh khí hiệu sử dụng hệ thống hầm lên men yếm khí 16 Phần Vật liệu phương pháp nghiên cứu 23 3.1 Đối tượng, thời gian địa điểm nghiên cứu 23 3.1.1 Đối tượng: 23 3.1.2 Địa điểm thời gian: 23 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iii 3.2 Nội dung nghiên cứu 23 3.2.1 Nội dung 1: Ảnh hưởng việc bổ sung số chất mồi (inoculum)phụ gia tự nhiên với tỷ lệ khác đến suất sinh khí điều kiện in vitro 23 3.2.2 Nội dung 23 3.3 Phương pháp nghiên cứu 23 3.3.1 Phương pháp nghiên cứu cho nội dung 1: Ảnh hưởng việc bổ sung số chất mồi (inoculum)-phụ gia tự nhiên với tỷ lệ khác đến suất sinh khí điều kiện in vitro 23 3.3.2 Phương pháp nghiên cứu cho nội dung 2: Ảnh hưởng việc bổ sung số chất mồi (inoculum)-phụ gia tự nhiên với tỷ lệ đến suất sinh khí chất lượng nước thải sau biogas mô hình mô công nghệ lên men yếm khí 26 Phần Kết thảo luận 29 4.1 Kết nội dung 29 4.1.1 Khả sinh khí biogas 29 4.1.2 Khả sinh khí metan 35 4.2 Kết nội dung 39 4.2.1 Khả sinh khí biogas mô hình mô 39 4.2.2 Khả sinh khí metan mô hình mô 41 4.2.3 Ảnh hưởng bổ sung số chất mồi - phụ gia tự nhiên đến ô nhiễm môi trường mô hình mô 43 Phần Kết luận kiến nghị 51 5.1 Kết luận 51 5.2 Kiến nghị 51 Tài liệu tham khảo 52 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt ADF BOD CP CF Xơ không tan môi trường axit Nhu cầu oxi sinh học Protein thô Mức xơ thấp Cs Ca Cộng Canxi COD CT CH4 CO2 Nhu cầu oxi hóa học Công thức Metan Cacbonic Coliform Tổng số vi sinh vật yếm khí DM Vật chất khô nước thải HDPE ME N N2O NH3 NRC NDF NSP P Pr RSD S SO2 THP TCN 678-2006 TĂ VCK VS VFA Nhựa HDPE Năng lượng trao đổi Nitơ Nitơ đioxit Amoniac Hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ Xơ không tan môi trường trung tính (mức xơ cao) Đường đa phi tinh bột Phốt Protein Độ lệch tiêu chuẩn hiệu dư với df (sai số) = 20 Lưu huỳnh Anhiđrit sunfurơ Hợp chất hữu Tiêu chuẩn vệ sinh nước thải chăn nuôi Thức ăn Vật chất khô Chất rắn bay Axit béo bay Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Ước lượng chất thải phát sinh từ vật nuôi Bảng 2.2 Tính chất chất thải vật nuôi Bảng 2.3 Nhóm vi sinh vật tham gia trình acetogenesis 10 Bảng 2.4 Nhóm vi khuẩn tham gia trình metanogenesis 10 Bảng 2.5 Ước tính khối lượng chất thải hàng ngày gia súc, gia cầm Việt Nam 12 Bảng 2.6 Hiệu suất sinh khí chất thải chăn nuôi 13 Bảng 2.7 Nồng độ tối đa cho phép số chất độc hại 22 Bảng 3.1 Tỷ lệ phối trộn phân, phụ gia nước công thức thí nghiệm 24 Bảng 3.2 Tỷ lệ phối trộn phân, phụ gia nước công thức thí nghiệm 27 Bảng 4.1 Thể tích khí bigoas tích lũy khả sinh khí biogas theo tỷ lệ chất mồi - bổ sung khác 29 Bảng 4.2 Thể tích khí CH4 tích lũy khả sinh khí CH4 theo nồng độ chất mồi-bổ sung khác 35 Bảng 4.3 Khả sinh khí biogas 39 Bảng 4.4 Khả sinh khí metan 41 Bảng 4.5 Nhiệt độ nước thải trước biogas sau biogas 44 Bảng 4.6 pH nước thải trước biogas sau biogas 45 Bảng 4.7 Vật chất khô nước thải trước biogas sau biogas 45 Bảng 4.8 VS nước thải trước biogas sau biogas 46 Bảng 4.9 COD nước thải trước biogas sau biogas 47 Bảng 4.10 BOD nước thải trước biogas sau biogas 48 Bảng 4.11 N nước thải trước biogas sau biogas 48 Bảng 4.12 P nước thải trước biogas sau biogas 49 Bảng 4.13 Coliform nước thải trước biogas sau biogas 50 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Dòng chảy nguy ô nhiễm chất thải trang trại chăn nuôi điển hình Việt Nam (Sommer and Jensen, 2006, unpublished data) Hình 2.2 Cơ chế sinh lên men yếm khí chất hữu 11 Hình 3.1 Tủ ấm để trì nhiệt độ cho mẫu trình ủ lên men yếm khí 25 Hình 3.2 Quá trình thu khí sinh học định kỳ xylanh 25 Hình 3.3 Bể mô hình nhựa composite 28 Hình 3.4 Đo khí công tơ đo khí Gallus Flonidan 28 Hình 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ chất mồi đến tích lũy khí biogas 30 Hình 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ chất mồi đến sinh khí biogas 30 Hình 4.3 Biểu diễn tích lũy khí biogas công thức thí nghiệm khác 33 Hình 4.4 Ảnh hưởng tỷ lệ chất mồi đến tích lũy CH4 37 Hình 4.5 Ảnh hưởng tỷ lệ chất mồi đến sinh khí CH4 37 Hình 4.6 Ảnh hưởng chất mồi 6% đến sinh khí biogas mô hình mô Hình 4.7 40 Ảnh hưởng chất mồi 6% đến sinh khí CH4 mô hình mô Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp 42 Page vii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Xử lý chất thải chăn nuôi vấn đề nhiều công trình nghiên cứu khoa học quan tâm nghiên cứu Trong nghiên cứu tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ bổ sung chất mồi đến trình lên men sinh khí metan từ chất thải phân nước tiểu chăn nuôi lợn Thí nghiệm tiến hành Trung tâm thực nghiệm bảo tồn – Viện Chăn nuôi quốc gia từ tháng 5/2015 đến 7/2015 Các chất mồi gồm dịch cỏ; bùn ao tươi; bùn ao khô; nước thải sau biogas; dịch cỏ + bùn ao tươi, với mức tỷ lệ cho chất mồi (2%; 4% 6%) Kết thu được: Bổ sung chất mồi tỷ lệ 6% sản lượng khí metan đạt kết cao so với tỷ lệ 4% 2% (P[...]... nhiều khí sinh học nhất từ chất thải chăn nuôi, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình tạo khí sinh học yếm khi là vô cùng quan trọng Để làm sáng tỏ ảnh hưởng của các chất bổ sung vào hầm khí biogas, việc tiến hành nghiên cứu: Ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung chất mồi (inoculum) đến quá trình lên men và sinh khí metan của chất thải hỗn hợp (phân và nước tiểu) ở điều kiện in vitro, ... như sau: 3.2.1 Nội dung 1: Ảnh hưởng của việc bổ sung một số chất mồi (inoculum)phụ gia tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau đến năng suất sinh khí trong điều kiện in vitro 3.2.2 Nội dung 2 Ảnh hưởng của việc bổ sung một số chất mồi (inoculum)- phụ gia tự nhiên với cùng một tỷ lệ đến năng suất sinh khí và chất lượng nước thải sau biogas trong mô hình mô phỏng công nghệ lên men yếm khí 3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN... 1: Ảnh hưởng của việc bổ sung một số chất mồi (inoculum)- phụ gia tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau đến năng suất sinh khí trong điều kiện in vitro Bố trí thí nghiệm Đây là thí nghiệm làm trong điều kiện in vitro, thí nghiệm kéo dài 60 ngày và được thiết kế theo kiểu ngẫu nhiên hoàn chỉnh để đánh giá khả năng sinh khí biogas và metan trong điều kiện in vitro Nguyên liệu nạp đầu vào là chất thải hỗn hợp. .. mồi và nước của các công thức thí nghiệm được trình bày ở bảng 3.1 Bảng 3.1 Tỷ lệ phối trộn phân, phụ gia và nước của các công thức thí nghiệm Bổ sung dịch dạ cỏ 2% Bổ sung bùn ao tươi 2% Bổ sung bùn ao khô 2% Bổ sung nước thải sau biogas 2% Bổ sung dịch dạ cỏ và bùn ao tươi 2% Bổ sung dịch dạ cỏ 4% Bổ sung bùn ao tươi 4% Bổ sung bùn ao khô 4% Bổ sung nước thải sau biogas 4% Bổ sung dịch dạ cỏ và bùn... 2.2.1 Nguyên lý của quá trình xử lý chất thải chăn nuôi bằng biogas Biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra khi chất thải động vật, các chất hữu cơ, phụ phẩm nông nghiệp bị lên men trong điều kiện kỵ khí Vi sinh vật phân huỷ các chất tổng hợp và khí được sinh ra Biogas là một hỗn hợp bao gồm metan, cacbon dioxit, nitơ, hydro sunfua, Tình trạng ô nhiễm môi trường bởi chất thải trong chăn... tốc độ oxy hoá 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: 2.2.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và thời gian lữu giữ chất thải Vi khuẩn sinh khí metan bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rất nhiều, nhiệt độ lý tưởng cho quá trình lên men là 350C, nhiệt độ thấp quá trình sinh ga giảm thậm chí... MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu thử nghiệm xử lý chất thải chăn nuôi, tạo thêm nguồn năng lượng sạch bằng các phương pháp mới 1.2.2 Mục tiêu cụ thể - Đánh giá được ảnh hưởng của các tỷ lệ bổ sung chất mồi - chất bổ sung đến lượng khí sinh ra trong công trình khí sinh học - Xác định sản lượng khí metan ở quy mô phòng thí nghiệm, mô hình mô phỏng và ước tính lượng khí metan sản... thực hiện Về nguyên lý, biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra từ chất thải động vật và xác động thực vật, khi lên men trong điều kiện yếm khí Vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ và khí được sinh ra Biogas là hỗn hợp các khí metan (CH4), carbonic (CO2), nitrogen (N2) và sulfur hydrogen (H2S) và một số khí khác Thành phần chủ yếu là khí metan (60-70%) 1m3 khí với mức 6000 calo có thể tương... Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 12 khí của nguyên liệu Bảng 2.6 trình bày một số giá trị trung bình về hiệu suất sinh khí của một vài hệ thống sinh biogas phổ biến hiện nay tại Việt Nam Bảng 2.6 Hiệu suất sinh khí của chất thải chăn nuôi (lít/ngày/kg) Loại nguyên liệu Chất thải (slurry) của bò Chất thải của trâu Chất thải của dê/cừu Chất thải của lợn Chất thải của gà Rác rau xanh Sản lượng Loại nguyên... 1,37%; tỷ lệ C:N = 32,1; pH = 5,0 * Chất thải của lợn Tỷ lệ C:N trong chất thải của lợn thấp hơn so với trâu bò, tỷ lệ này dao động trong khoảng (13 – 15):1 Do tỷ lệ C:N thấp nên để tăng hiệu quả của quá trình sản sinh khí biogas người ta thường bổ sung thêm một số thành phần khác trong nguồn nguyên liệu đầu vào của hầm ủ Thành phần hỗn hợp có thể bao gồm: - 60% phân lợn, 20% phân trâu bò và 20% chất thải