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 KIỆ

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:

1 GS.TS Vũ Chí Cương

2 TS Phạm Kim Đăng

HÀ NỘI, NĂM 2015

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo

vệ lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ 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 ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Vũ Chí Cương và TS Phạm Kim Đăng đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập

và thực hiện 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 đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ Trung tâm thực nghiệm và Bảo tồn – Viện Chăn nuôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi 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 iii

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 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài 2

Phần 2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Khái niệm cơ bản về chất thải chăn nuôi 3

2.1.1 Chất thải chăn nuôi 3

2.1.2 Mô hình dòng chảy chất thải chăn nuôi 5

2.1.3 Tính chất và đặc điểm chung của từng loại chất thải chăn nuôi 6

2.2 Xử lý chất thải bằng biogas 8

2.2.1 Nguyên lý của quá trình xử lý chất thải chăn nuôi bằng biogas 8

2.2.2 Tiềm năng sinh biogas của chất thải chăn nuôi 12

2.2.3 Ảnh hưởng của kỹ thuật biogas đến mầm bệnh ký sinh trùng và một số vi khuẩn gây bệnh 13

2.2.4 Ưu điểm và hạn chế của xử lý chất thải chăn nuôi bằng kỹ thuật biogas 14

2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí CH4, hiệu suất sinh khí và hiệu quả sử dụng hệ thống hầm lên men yếm khí 16

Phần 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 23

3.1 Đối tượng, thời gian và địa điểm nghiên cứu 23

3.1.1 Đối tượng: 23

3.1.2 Địa điểm và thời gian: 23

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iv

3.2 Nội dung nghiên cứu 23

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 23

3.2.2 Nội dung 2 23

3.3 Phương pháp nghiên cứu 23

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu cho 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 23

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu cho 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 26

Phần 4 Kết quả và thảo luận 29

4.1 Kết quả của nội dung 1 29

4.1.1 Khả năng sinh khí biogas 29

4.1.2 Khả năng sinh khí metan 35

4.2 Kết quả của nội dung 2 39

4.2.1 Khả năng sinh khí biogas trong mô hình mô phỏng 39

4.2.2 Khả năng sinh khí metan trong mô hình mô phỏng 41

4.2.3 Ảnh hưởng của bổ sung một số chất mồi - phụ gia tự nhiên đến ô nhiễm môi trường trong mô hình mô phỏng 43

Phần 5 Kết luận và 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 v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt

Coliform Tổng số vi sinh vật yếm khí

NDF Xơ không tan trong môi trường trung tính (mức xơ cao)

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Ước lượng chất thải phát sinh từ vật nuôi 3

Bảng 2.2 Tính chất của chất thải vật nuôi 4

Bảng 2.3 Nhóm vi sinh vật tham gia quá trình acetogenesis 10

Bảng 2.4 Nhóm vi khuẩn tham gia quá trình metanogenesis 10

Bảng 2.5 Ước tính khối lượng chất thải hàng ngày của gia súc, gia cầm ở Việt Nam 12

Bảng 2.6 Hiệu suất sinh khí của chất thải chăn nuôi 13

Bảng 2.7 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại 22

Bảng 3.1 Tỷ lệ phối trộn phân, phụ gia và nước của các công thức thí nghiệm 24

Bảng 3.2 Tỷ lệ phối trộn phân, phụ gia và nước của các công thức trong thí nghiệm 2 27

Bảng 4.1 Thể tích khí bigoas tích lũy và khả năng sinh khí biogas theo tỷ lệ các chất mồi - bổ sung khác nhau 29

Bảng 4.2 Thể tích khí CH4 tích lũy và khả năng sinh khí CH4 theo nồng độ các chất mồi-bổ sung khác nhau 35

Bảng 4.3 Khả năng sinh khí biogas 39

Bảng 4.4 Khả năng sinh khí metan 41

Bảng 4.5 Nhiệt độ nước thải trước biogas và sau biogas 44

Bảng 4.6 pH nước thải trước biogas và sau biogas 45

Bảng 4.7 Vật chất khô nước thải trước biogas và sau biogas 45

Bảng 4.8 VS nước thải trước biogas và sau biogas 46

Bảng 4.9 COD nước thải trước biogas và sau biogas 47

Bảng 4.10 BOD nước thải trước biogas và sau biogas 48

Bảng 4.11 N nước thải trước biogas và sau biogas 48

Bảng 4.12 P nước thải trước biogas và sau biogas 49

Bảng 4.13 Coliform nước thải trước biogas và sau biogas 50

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Dòng chảy nguy cơ ô nhiễm chất thải tại một trang trại chăn nuôi điển

hình ở Việt Nam (Sommer and Jensen, 2006, unpublished data) 6

Hình 3.1 Tủ ấm để duy trì nhiệt độ cho mẫu trong quá trình ủ lên men yếm khí 25

Hình 4.3 Biểu diễn sự tích lũy khí biogas ở các công thức thí nghiệm khác nhau 33

Hình 4.6 Ảnh hưởng của chất mồi ở 6% đến sinh khí biogas trong mô hình mô

Hình 4.7 Ảnh hưởng của chất mồi ở 6% đến sinh khí CH4 trong mô hình mô

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page viii

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Xử lý chất thải trong chăn nuôi đang là vấn đề được nhiều công trình nghiên cứu khoa học quan tâm và nghiên cứu Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung các chất mồi đến quá trình lên men và sinh khí metan từ các chất thải phân và nước tiểu trong chăn nuôi lợn Thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thực nghiệm và bảo tồn – Viện Chăn nuôi quốc gia từ tháng 5/2015 đến 7/2015 Các chất mồi gồm dịch dạ cỏ; bùn ao tươi; bùn ao khô; nước thải sau biogas; dịch dạ cỏ + bùn ao tươi, với các mức tỷ

lệ cho từng chất mồi là (2%; 4% và 6%) Kết quả thu được: Bổ sung chất mồi ở

tỷ lệ 6% sản lượng khí metan đạt kết quả cao hơn so với tỷ lệ 4% và 2% (P<0,05) Bổ sung nước thải sau biogas cho kết quả tốt nhất sau đó lần lượt đến các công thức bổ sung bùn ao tươi, bùn ao khô, dịch dạ cỏ và kết hợp dịch dạ cỏ với bùn ao tươi Bổ sung nước thải sau biogas có hiệu quả sinh khí metan cao hơn so với các chất bổ sung khác (P<0,05) Việc bổ sung thêm chất mồi - phụ gia

tự nhiên đã giảm thiểu đáng kể nồng độ một số chất gây ô nhiễm trong chất thải sau biogas như: BOD, COD, Coliform

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ix

THESIS ABSTRACT

Waste in livestock is a matter of being more scientific study and research interest In this study, we studied the influence of the ratio of primer to additional fermentation and methane gas from the waste and urine in pig production The experiment was conducted at the Experimental and Conservation Center - the National Institute of Animal Husbandry from 5/2015 to 7/2015 The primer includes rumen fluid; fresh mud of pond; dried mud of pond; wastewater of biogas; rumen fluid + Fresh mud of pond, with the percentages for each primer that is (2%, 4% and 6%) The results were: Additional primer at 6% methane production results higher than the rate of 4% and 2% (P <0.05) Additional wastewater of biogas for best results then turn to the formula supplemented fresh mud of pond, dried mud of pond, rumen fluid and rumen fluid combined with fresh mud of pond Additional wastewater of biogas methane gas effectively higher than other supplements (P <0.05) Adding primer - natural additives has substantially reduced levels of certain pollutants in wastes of biogas such as BOD, COD, Coliform

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 1

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Vài thập kỷ trở lại đây, các vấn đề về môi trường trở nên nóng bỏng và được toàn thế giới quan tâm Sinh quyển của chúng ta đang và sẽ phải gánh chịu những hậu quả nghiêm trọng do biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường Sự bùng nổ dân số cùng với sự phát triển vũ bão của các ngành nghề sản xuất trên thế giới đã dẫn tới sự quá ngưỡng tự điều chỉnh của môi trường tự nhiên và khả năng xử lý ô nhiễm môi trường của con người Các hiện tượng như nóng lên toàn cầu, mực nước biển dâng, băng tan, thay đổi các dòng hải lưu và các hiện tượng thời tiết cực đoan… đang từng ngày đe doạ sự tồn vong của loài người và toàn thể sinh vật trên trái đất Ngành chăn nuôi, một ngành mang lại nguồn protein động vật quí giá cho loài người lại cũng là ngành phải chịu trách nhiệm khoảng 18% tổng lượng phát thải khí nhà kính của toàn cầu, cao hơn cả là ngành giao thông vận tải (FAO, 2006)

Để ngành chăn nuôi vẫn phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng

về protein động vật cho con người mà vẫn không ảnh hưởng nhiều đến sự nóng lên của trái đất, không góp phần làm tăng tốc độ biến đổi khí hậu, chất thải khí gây hiệu ứng nhà kính từ chăn nuôi phải được quản lý khoa học hơn, bền vững hơn Việc quản lý chất thải gia súc không tốt sẽ là nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm môi trường dưới dạng khí thải nhà kính, sự lây lan bệnh tật và mùi (Davidson, 2009;

Xiong et al., 2008) Hầu hết khí metan (CH4) thải ra trong chăn nuôi là từ gia súc nhai lại thông qua quá trình lên men yếm khí ở dạ cỏ và từ phân gia súc trong điều kiện yếm khí Giải pháp hiệu quả nhất hiện nay để quản lý chất thải chăn nuôi là công nghệ lên men yếm khí nhằm sản xuất khí sinh học (biogas), đồng thời làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường,nâng cao an toàn vệ sinh, giảm mùi hôi thối, giảm phát thải khí nhà kính và mang lại hiệu quả kinh tế cao (Albihn and Vinnerås,

2007; Jiang et al., 2011).Tuy nhiên, những hiểu biếtcũng như việc áp dụng các công nghệ sản xuất biogas ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế (Cu et al., 2012)

Việc xây dựng một cơ sở khoa học để xác định tiềm năng sản sinh biogas nhằm giúp các nhà sản xuất có thể quản lý, kiểm soát được và sử dụng hiệu quả các công trình khí sinh học đồng thời bảo vệ môi trường là hết sức cần thiết

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 2

Sản lượng khí metan cuối cùng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau, vì vậy để có thể sản xuất 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, là rất cần thiết

1.2 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

1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI

- Quản lý chất thải chăn nuôi, quản lý vệ sinh môi trường

- Khuyến cáo cho thực tiễn sản xuất khẩu phần ăn hợp lý, tạo thêm nguồn năng lượng sạch

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI

2.1.1 Chất thải chăn nuôi

Chất thải chăn nuôi là sản phẩm phụ không mong muốn của quá trình sản xuất chăn nuôi Thông thường lượng chất thải này có thể được được sử dụng một cách hợp lý, nhưng với kích thước và quy mô trang trại ngày càng tăng lên, lượng chất thải vượt quá mức có thể gây ô nhiễm môi trường Các loại chất thải chăn nuôi quan trọng nhất là phân động vật, nước thải, khí thải và thức ăn dư thừa

Tất cả chất thải từ chăn nuôi đều có chứa các hợp chất có giá trị tiềm năng cho các hoạt động khác trong nông nghiệp và cho xã hội Tuy nhiên, để tận dụng tiềm năng này một cách có lợi thường gặp nhiều khó khăn Vì vậy, trong thực tế, người ta thường chú ý đến việc giảm lượng chất thải chăn nuôi thải vào môi trường hơn là tận dụng chúng vào nhiều mục đích khác nhau (Conway and Pretty, 1991)

Chất thải của vật nuôi (phân, nước tiểu) trong chăn nuôi nông nghiệp là nguồn nguyên liệu lớn, chứa nhiều thành phần hữu cơ có khả năng chuyển hoá sinh học để tạo biogas Khối lượng chất thải phát sinh có sự khác nhau, tuỳ theo từng loại gia súc, gia cầm, điều kiện chăn nuôi, đặc điểm chuồng trại và đặc điểm ngành của từng quốc gia

Theo số liệu thống kê của ngành nông nghiệp Ấn Độ, Nêpan,… khối lượng phát sinh và thành phần tính chất của các loại chất thải ước tính như sau:

Bảng 2.1 Ước lượng chất thải phát sinh từ vật nuôi

Lọai vật nuôi Khối lượng chất thải phát

sinh (kg/ngày/1 con)

Khối lượng chất thải có khả năng thu gom (kg/ngày/con)

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4

* Chất thải của trâu, bò

Tại Ấn Độ, hầu hết chất thải từ trâu bò được sử dụng làm biogas do thành phần này có tính chất đồng nhất cao, tỷ lệ C:N của chất thải gần như tối ưu (30:1), thuận lợi cho quá trình phân huỷ sinh học Theo ước tính, mỗi ngày Ấn

Độ có khoảng 2 triệu tấn chất thải phát sinh chủ yếu từ trâu bò Nếu như chỉ có 1 nửa khối lượng này được sử dụng để chuyển hoá thành biogas thì lượng khí sinh

ra có mức năng lượng tương đương 80 triệu tấn than đá Thành phần chất thải của trâu bò (tính theo phần trăm khối lượng) bao gồm tổng chất rắn (TS) là 17,63%; chắn rắn bay hơi (VS) là 13,65%; thành phần hữu cơ (OC) 44,01%; tổng Nitơ 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 từ trồng trọt (lá cây,

cỏ cắt xén, …), hoặc 60% phân lợn, 25% phân trâu bò và 15% chất thải từ trồng trọt; hoặc 63% phân lợn, 25% phân trâu bò và 12% phân gà

Bảng 2.2 Tính chất của chất thải vật nuôi

Loại chất thải Tỷ lệ C:N %H 2 O KgVS/con/ngày Nước thải

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5

Ngoài chất thải động vật, thực vật cũng là nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất biogas và phân bón sinh học Ví dụ, một kg chất thải từ các vụ thu hoạch và bèo tây có thể tạo thành 0,037 và 0,045 m3 biogass Các loại nguyên liệu hữu cơ khác nhau sẽ có tính chất hoá sinh khác nhau và do đó, khả năng tạo

ra biogas của chúng cũng khác nhau Hai hoặc nhiều loại nguyên liệu có thể được

sử dụng kết hợp để đảm bảo các yêu cầu cơ bản cho quá trình phân huỷ sinh học tạo ra khí

Thành phần chất thải bao gồm phần rắn (phân), phần lỏng (nước tiểu của vật nuôi, nước dội rửa chuồng) và vật liệu lót chuồng, rác, rau, cỏ, … đặc tính và

tỷ lệ tương ứng các thành phần này theo đổi nhiều hay ít tuỳ thuộc vào loại động vật, thức ăn, hình thức chuồng trại,… Rơm và cây cỏ thường được sử dụng để lót chuồng chứa một lượng lớn cacbon, đặc biệt là dạng xenlulo, một lượng nhỏ nitơ

và khoáng chất Thành phần protein trong phân cung cấp môi trường đủ chất dinh dưỡng để các vi sinh vật phát triển

2.1.2 Mô hình dòng chảy chất thải chăn nuôi

Dòng chảy nguy cơ ô nhiễm chất thải chăn nuôi đến môi trường xung quanh

ở một trang trại chăn nuôi được phác họa trong mô hình 2.1

Có thể thấy rõ rằng các chất thải từ trang trại chăn nuôi có đủ cả 3 nhóm là rắn, lỏng và khí Các nguồn phát thải này không chỉ đến từ khu vực chuồng trại chăn nuôi gia súc, khu vực lưu trữ và xử lý chất thải mà còn tác động đến môi trường cả trong quá trình vận chuyển và bón ra ngoài đồng

Nghiên cứu dòng chảy nguy cơ ô nhiễm chất thải chăn nuôi có vai trò quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp hạn chế ô nhiễm do chất thải chăn nuôi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6

Hình 2.1 Dòng chảy nguy cơ ô nhiễm chất thải tại một trang trại chăn nuôi điển hình ở Việt Nam (Sommer and Jensen, 2006, unpublished data) 2.1.3 Tính chất và đặc điểm chung của từng loại chất thải chăn nuôi

Chất thải rắn chủ yếu là các thành phần không được hấp thu của thức ăn còn

dư thừa và được đào thải ra ngoài theo phân Đây là nguồn dinh dưỡng quan trọng cho vi sinh vật phân giải lên men hình thành nhiều loại khí và khoáng chất

Đồng ruộng Chuồng gia súc

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 7

Những chất khoáng này rất cần thiết cho cây trồng Chất thải rắn bào gồm phân, thức ăn thừa, xác động vật chết, phủ tạng không được sử dụng, một số vật dụng

nhỏ trong chăn nuôi (Vu Đinh Vương et al., 2007) Tại lò mổ gia súc một lượng

lớn chất thải rắn được thải ra mà ít được quan tâm xử lý Đây là nguồn chất thải mang nhiều nguy cơ lây lan bệnh tật và gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm Chất thải rắn từ các lò mổ thường là chất chứa trong đường tiêu hóa, phủ tạng không

sử dụng được, lông động vật và một số vật dụng khác Trong thực tế phần chất thải rắn trong chăn nuôi thường được tách riêng để xử lý

Tỷ lệ các chất hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật trong chất thải rắn phụ thuộc vào khẩu phần ăn, giống, loài gia súc và cách dọn vệ sinh Trong chất thải rắn chứa 56-83% nước, 1-26% chất hữu cơ, 0,32-1,6% nitơ, 0,25-1,4% phốt pho, 0,15-0,95% kali và nhiều loài vi khuẩn, virus, trứng kí sinh trùng gây bệnh cho người và động vật Chất thải lỏng bao gồm nước phân, nước tiểu, nước rửa chuồng trại, thuốc thú y, hóa chất lỏng, dung dịch xử lý chuồng trại Nước phân là nước từ đống phân chuồng chảy ra, phần lớn là nước tiểu của gia súc có hòa lẫn các chất hòa tan của phân nguyên với một phần nước có nguồn gốc từ nước uống, nước tắm, nước rửa chuồng gia súc Tại lò mổ một lượng lớn nước được sử dụng cho hoạt động giết mổ và được thải vào môi trường cùng với các chất thải rắn mà không được tách riêng để xử lý Thành phần nước thải từ các trang trại chăn nuôi gia súc gồm chất hữu cơ chủ yếu là cellulose, protein, acid béo, carbonhydrate hầu

hết đều là những chất dễ phân hủy, vi sinh vật E Coli, Salmonella, giun sán và

chất vô cơ chiếm 20-30% gồm cát, đất, muối

Thành phần chất thải lỏng từ chăn nuôi ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như quy

mô chăn nuôi, phương pháp vệ sinh, kiểu chuồng

Trong quá trình sinh trưởng và phát triển động vật đã thải ra lượng lớn chất thải khí gây nguy hại một trong số đó là khí metan Sau khi thải ra ngoài môi trường chất thải rắn và chất thải lỏng tiếp tục được lên men phân giải thành nhiều chất khí khác nhau Từ chất thải chăn nuôi tạo ra khoảng 65% lượng khí nitơ oxit (N2O) trong không khí Đây là loại khí có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính gấp

296 lần so với khí CO2 Theo nghiên cứu của Hur et al (2004), trong chất thải

của chăn nuôi lợn chứa tới 9% lượng khí CO2, 37% lượng khí metan (CH4) - khí

có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần khí CO2 Điều này cho thấy chất thải chăn nuôi là một yếu tố quan trọng làm tăng hiệu ứng nhà kính

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 8

Schiffman et al (2001) đã phát hiện được 331 hợp chất mùi khác nhau từ

chất thải của lợn Thông thường người ta phân chia các chất gây mùi ra làm bốn nhóm chính: (1) các hợp chất có chứa S, (2) các hợp chất phenol và indol, (3) các

hợp chất axít béo bay hơi (VFA), và (4) ammonia và các amine bay hơi (Le et

al , 2005; Mackie et al., 1998) Các hợp chất mùi chủ yếu được sinh ra do quá

trình chuyển hóa vi sinh vật các thành phần thức ăn trong ruột già của lợn và chuyển hóa vi sinh vật các hợp chất trong phân

2.2 XỬ LÝ CHẤT THẢI BẰNG BIOGAS

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 nuôi là vấn đề cấp bách cần được quan tâm, giải quyết hiện nay Vì vậy, đi đôi với việc khuyến khích chăn nuôi để phát triển kinh tế, đáp ứng nhu cầu thực phẩm nguồn gốc động vật đang gia tăng của xã hội, vấn đề bảo vệ môi trường là một trong những

ưu tiên hàng đầu Chỉ có như vậy chăn nuôi mới phát triển một cách bền vững, góp phần tăng thu nhập cho người nông dân, đảm bảo an sinh xã hội

Xử lý chất thải chăn nuôi, chất thải của các lò mổ bằng hệ thống hầm biogas đã được nhiều nơi 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 đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng hay 2,2 kWh điện năng

Có thể nói biogas sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính và an toàn trong tương lai nhằm giải quyết chất đốt sinh hoạt, bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng Biogas còn được sử dụng cho đèn thắp sáng, lò sấy, máy sấy, đèn sưởi, bình nước nóng, tủ lạnh chạy bằng gas, chạy máy phát điện… Các chất thải của hệ thống biogas là nguồn phân bón có giá trị dinh dưỡng cao cho cây trồng thay thế một lượng lớn phân hóa học Điều quan trọng là phân gia súc sau khi bị lên men yếm khí đã loại trừ được các vi khuẩn gây bệnh cho con

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 9

người, động vật Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học là một giải pháp để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, nguồn năng lượng rất hiệu quả ở nông thôn nước ta

Nguyên lý của quá trình xử lý chất thải chăn nuôi bằng biogas là quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ và vô cơ phân tử Quá trình này được thực hiện trong điều kiện không có oxy và sự có mặt của những vi sinh vật kỵ khí

(Bryant et al., 1967; Werner et al., 2000)

Quá trình phân giải kỵ khí có thể được chia thành các giai đoạn:

- Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo

- Lên men các axít amin và đường

- Phân hủy kỵ khí các axít béo mạch dài và rượu (alcohol)

- Phân hủy kỵ khí các axít béo dễ bay hơi (ngoại trừ acetic)

- Hình thành khí metan từ acetic

- Hình thành khí metan từ hydrogen và CO2

Các quá trình này có thể gộp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ

(i) Giai đoạn 1 (thủy phân): trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme

do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các axít amin, axít béo) Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của

cơ chất, trong đó chất béo thủy phân rất chậm (Ross and Walsh, 1996)

(ii) Giai đoạn 2 (axít hóa): Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axít dễ bay hơi, alcohol, lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các axít có thể làm

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 10

Bảng 2.3 Nhóm vi sinh vật tham gia quá trình acetogenesis

Các vi sinh vật tham gia trong các giai đoạn của quá trình phân giải kỵ khí thuộc nhóm biến dưỡng cellulose, hầu hết các vi khuẩn này có các enzyme

cellulase, chúng tập trung vào các nhóm Clostridium, Plectridium, Caduceus,

Endosponus, Terminosponus (Prevot, 1971)

Bảng 2.4 Nhóm vi khuẩn tham gia quá trình metanogenesis

H 2 , CO 2 , formic acetic

butyric, valeric, capropionic

CO 2 , H 2 , acetic, methanol

H 2 , formic

H 2 , formic acetic, butyric acetic, butyric

(Nguồn: Kessler and Leigh, 1999)

Các phản ứng sinh hóa chủ yếu xảy ra trong quá trình lên men yếm khí trong hầm biogas như sau:

Hợp chất cao phân tử CO2 + H2 + CH3COO- + C2H5COOH +

C3H8COOH

CH3COO- + H2O CH4 +HCO3- + Q

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 11

C2H5COO- + 2H2O 7/4 CH3COO- + 5/4 H2O +3/2 H2O (Speece, 1996)

Hình 2.2 Cơ chế sinh trong lên men yếm khí chất hữu cơ

Tế bào vi khuẩn

Giai đoạn tạo methan

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 12

2.2.2 Tiềm năng sinh biogas của chất thải chăn nuôi

Chất thải ở trang trại chăn nuôi bao gồm chất thải của vật nuôi (phân và nước tiểu) là chủ yếu, có lẫn thêm chất độn chuồng, nước rửa chuồng, thức ăn thừa, rơi vãi Về bản chất các hợp chất hữu cơ từ nguồn chất thải chăn nuôi đều có tiềm năng sinh khí và có thể làm nguyên liệu sinh khí biogas Có thể phân chia theo nguồn gốc: nguyên liệu có nguồn gốc động vật và nguyên liệu có nguồn gốc thực vật Nguyên liệu có nguồn gốc động vật (gồm phân và nước tiểu) từ gia súc, gia cầm, nước rửa chuồng Các loại phân do đã được xử lý qua bộ máy tiêu hóa của gia súc, gia cầm nên dễ phân hủy và nhanh chóng sinh khí biogas Tuy vậy thời gian phân hủy của chúng không dài và tổng sản lượng khí thu từ 1 kg phân cũng không lớn Trong khi

đó nguyên liệu có nguồn gốc thực vật có thời gian phân hủy dài hơn Bảng 2.5 trình bày ước tính lượng chất thải hàng ngày của gia súc, gia cầm

Bảng 2.5 Ước tính khối lượng chất thải hàng ngày của gia súc, gia cầm

ở Việt Nam

Tên gia súc, gia cầm Khối lượng chất thải thải ra hàng ngày (kg/ngày/con)

ăn, chế độ quản lý Ví dụ cùng là chất thải chăn nuôi của lợn nhưng chất thải của lợn ăn thức ăn công nghiệp cho nhiều khí hơn chất thải của lợn ăn thức ăn tự tạo (do thức ăn tự tạo có hàm lượng xơ trong khẩu phần cao hơn); mùa hè sinh nhiều khí biogas hơn mùa đông; thời gian lưu giữ nguyên liệu càng lâu thì càng nhiều khí Phân gia súc như trâu, bò, lợn phân hủy nhanh hơn phân gia cầm, nhưng sản lượng khí của phân gia cầm lại cao hơn Người ta gọi sản lượng khí thu được hàng ngày từ 1 kg nguyên liệu qua quá trình lên men yếm khí là hiệu suất sinh

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 13

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 Sản lượng Loại nguyên liệu Sản lượng

2.2.3 Ảnh hưởng của kỹ thuật biogas đến mầm bệnh ký sinh trùng và một

và khu vực đô thị gần lưu vực sông cho thấy tỷ lệ dương tính cao với hai loại ký

sinh trùng trên Trong chất thải từ nông nghiệp có 30,2% dương tính với Giardia, 32,2% mẫu dương tính với Cryptosporidium States et al (1997) cũng cho thấy mức độ rất cao Cryptosporidium và Giardia trong các mẫu thu thập từ hệ

thống cống rãnh của các trang trại chăn nuôi (trung bình là 28,81 cysts/ 100 ml

cho Giardia và 2,01 oocysts/100 ml cho Cryptosporidium)

Động vật nguyên sinh đã được phát hiện trong hầu như tất cả các mẫu thu thập từ nguồn nước tràn ra ở các trang trại Như vậy, nguy cơ lây nhiễm các loài

kí sinh trùng từ chất thải chăn nuôi cho con người là rất lớn Trong khi đó hệ thống xử lý chất thải biogas không chỉ làm giảm lượng chất thải chăn nuôi tràn ra những vùng lân cận khi gặp trời mưa mà còn có tác dụng tiêu diệt nhiều loài kí sinh trùng gây bệnh

Điều kiện yếm khí của hệ thống biogas đã có tác dụng tiêu diệt nhiều loài kí sinh trùng Trong quá trình phát triển đa số kí sinh trùng gây bệnh đều sống trong điều kiện hiếu khí Một số khác bị tiêu diệt do không có khả năng thích nghi trong điều kiện của hệ thống biogas do môi trường không thuận lợi (hàm lượng các chất khí độc cao như H2S, NH3, CH4 không có oxy) Nhiệt độ cũng là yếu

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 14

tố không thuận lợi cho ký sinh trùng phát triển Nhiệt độ trong hệ thống biogas thường lên đến 50-550C đây là nhiệt độ có thể tiêu diệt nhiều loài kí sinh trùng

(Teodorita et al., 2008) Theo Lebuhn et al (2008) thì 99% trứng giun sán bị tiêu

diệt trong hệ thống biogas

Chất thải chăn nuôi chứa một lượng lớn vi sinh vật gây bệnh cho người và gia súc (Pitt, 2007) Ngoài việc sử dụng các biện pháp làm tăng hoạt động của vi sinh vật trong chất thải (ủ, ủ có bổ sung thêm các vi sinh vật, phương pháp làm phân bokashi, ủ yếm khí ), hệ thống biogas được ứng dụng không chỉ làm giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường do giảm lượng khí CH4 đào thải vào không khí

mà trong điều kiện của biogas thì nhiều loài vi sinh vật gây bệnh cũng bị tiêu diệt Trong điều kiện của hệ thống biogas chỉ có những vi sinh vật yếm khí phát triển mạnh để lên men phân giải các chất dinh dưỡng dư thừa Vi sinh vật hiếu khí thường không có điều kiện thuận lợi để phát triển Chính vì vậy, sử dụng hệ

thống biogas để xử lý chất thải có thể tiêu diệt đa số các vi sinh vật hiếu khí (E

Coli, Salmonella, Coliform )

Trong những năm qua tình hình dịch bệnh trên gia súc ngày càng ra tăng trên toàn thế giới Đặc điểm bệnh lây lan nhanh, khó kiểm soát nhất là những bệnh lây lan giữa người và gia súc Chính vì vậy việc tìm kiếm những giải pháp làm giảm nguy cơ lây lan dịch bệnh là rất đáng quan tâm

Trong khi hệ thống biogas đã thể hiện được ưu điểm của nó trong vai trò làm giảm ô nhiễm môi trường, giảm tình trạng lây lan bệnh tật Trong phân có thể chứa một số vi khuẩn, virus, khi sử dụng trực tiếp phân làm phân bón sẽ có nguy cơ tiềm năng lây bệnh sang người Do đó, chất thải từ hệ thống biogas được

sử dụng làm phân bón ở dạng đã tiêu hóa có lợi thế giảm nguy cơ lây lan bệnh

cho người và gia súc khác (Mohamed, 2009) Theo Lebuhn et al (2008) vi khuẩn

gây hại trong phân và chất thải chăn nuôi bị phân hủy cùng với chất hữu cơ thành khí gas và nước trong hầm biogas

2.2.4 Ưu điểm và hạn chế của xử lý chất thải chăn nuôi bằng kỹ thuật biogas

2.2.4.1 Ưu điểm

Một trong những vấn đề môi trường chính hiện nay là sự gia tăng sản xuất các chất thải hữu cơ Ở nhiều nước, quản lý chất thải bền vững cũng như phòng chống và giảm chất thải đã trở thành ưu tiên chính, đó là một trong những chính sáchgóp phần tích cực trong nỗ lực chung để giảm thiểu ô nhiễm và phát thải khí

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 15

gây hiệu ứng nhà kính và giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu

Sản xuất khí sinh học thông qua phân giải kỵ khí chất thải chăn nuôi là giải pháp chuyển đổi các chất hữu cơ có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường thành nguồn năng lượng sạch Biogas là một chất khí dễ cháy bao gồm khí metan, carbon dioxide và một lượng nhỏ các loại khí khác Quá trình phân giải giúp tạo

ra lượng chất thải giàu dinh dưỡng rất phù hợp sử dụng làm phân bón cây trồng

(Teodorita et al., 2008) Vì lý do trên, hệ thống biogas mang lại nhiều ưu điểm

hơn các hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi khác:

- Trước tiên hệ thống này cung cấp nguồn năng lượng sạch cho người chăn nuôi Hiện nay, nguồn năng lượng chính cho toàn cầu là năng lượng hóa thạch gồm dầu thô, khí đốt, than đây là nguồn nhiên liệu không tái tạo và đang ngày càng cạn kiệt Trong khi đó khí sinh học biogas là nguồn nhiên liệu tái tạo nhanh

do được hình thành từ quá trình phân giải chất hữu cơ dư thừa Thực chất đây là quá trình tối ưu hóa nguồn năng lương mặt trời được tích lũy trong thực vật làm

thức ăn cho động vật (Angelidaki et al., 2002)

- Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Những loại khí chính của biogas gồm CH4, CO2, H2S Khí CO2 giải phóng từ sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch làm tăng lượng khí này giải phóng vào bầu khí quyển Trong khí đó CO2 giải phóng từ chất thải chăn nuôi thực chất nằm trong chu trình khép kín Lượng khí CO2 giải phóng từ đây cũng chỉ tương đương với lượng khí CO2 đáp ứng cho nhu cầu quang hợp Trong khí đó lượng khí CH4 nếu không được đốt cháy sẽ giải phóng làm gia tăng tốc độ nóng lên của trái đất

do hiệu ứng nhà kính

- Sử dụng hệ thống biogas sẽ làm giảm lượng chất thải đào thải ra môi trường Hệ thống biogas biến chất thải thành nguồn nhiên liệu quý giá được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như đun nấu, thắp sáng, sưởi Biogas, vì vậy, là nguồn nhiên liệu quan trong giúp giảm nhập khẩu các nhiên liệu từ các quốc gia khác Ngoài ra trong khi sử dụng hệ thống này đã giảm đáng để lượng chất đốt khác như gỗ và than đá

- Mầm bệnh khi đi qua hệ thống biogas cũng bị tiêu diệt, vì vậy sẽ làm giảm nguy cơ lây lan bệnh cho cộng đồng Khi sử dụng hệ thống biogas cũng giảm đáng kể lượng nước sử dụng, điều này rất quan trong cho những khu vực được

dự báo là sẽ thiếu nước sinh hoạt trong tương lai gần

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 16

- Chất thải của hệ thống biogas là nguồn dinh dưỡng quý giá cho cây trồng Chất thải này giàu nitơ, kali, phospho, vi khoáng So với phân bón trực tiếp thì chất thải từ hệ thống biogas có giá trị hơn với cây trồng Ngoài chất thải chăn nuôi, nguyên liệu để sản xuất khí sinh học cũng rất đa dạng và linh hoạt Chúng

ta có thể sử dụng bùn hoạt tính, chất thải từ quá trình sản xuất khác, rác thải hữu

cơ trong sinh hoạt của con người để sản xuất biogas

2.2.4.2 Hạn chế

Chi phí ban đầu để xây dựng hệ thống biogas là khá tốn kém, bởi vì yêu cầu xây dựng hệ thống biogas rất khắt khe về kỹ thuật để tránh hiện tượng rò rỉ, tránh thất thoát khí trong quá trình hoạt động Ngoài chi phí xây dựng bể biogas thì đầu

tư cho hệ thống dẫn khí và bếp đun cũng tốn kém (Robles-Gil, 2001) Đặc biệt đối với cơ sở sản xuất có quy mô lớn thì những chi phí này làm tăng chi phí sản xuất năng lượng cho hoạt động của hệ thống Hệ thống ống dẫn có thể bị ăn mòn nhanh do đặc tính biogas chứa nhiều khí gây ăn mòn kim loại (CO2, H2S, và hơi nước) Trong khi đó biogas không có khả năng chịu áp lực cao để có thể sử dụng cho sưởi ấm giống như các khí sinh học khác (Mohamed, 2009)

Lượng chất thải đôi khi cũng là một hạn chế cho hệ thống biogas vận hành tốt Khi đáp ứng đủ lượng chất thải thì hệ thống biogas mới có thể vận hành tốt Tuy nhiên, trong sản xuất không phải lúc nào lượng chất thải cũng ổn định nhất

là với trang trại chăn nuôi quy mô nhỏ

Lượng khí sinh ra từ hệ thống biogas để cung cấp cho hệ thống máy phát điện, máy bơm, và nhiều động cơ khác không phù hợp, do nguồn cung cấp khí không ổn định Để chuyển từ một động cơ điện hoặc động cơ diesel sang động cơ hoạt động bằng khí metan cũng gặp nhiều khó khăn và làm tăng chi phí sản xuất (Dennis and Bruke, 2001)

2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí CH 4 , hiệu suất sinh khí và hiệu quả sử dụng hệ thống hầm lên men yếm khí

Quá trình chuyển hoá 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 enzym này đòi hỏi các điều kiện hoá lý riêng (hay còn gọi là điều kiện môi trường) nhằm tối ưu hoá quá trình chuyển hoá sinh học Các yếu tố hoá lý quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng sinh khối

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 17

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 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 ngưng hẳn (thấp hơn 100C) Vi khuẩn metan cũng rất mẫn cảm với nhiệt độ lên

xuống thất thường Theo Kumar et al (1999) các mầm bệnh chứa E Coli và

Salmonella bị tiêu diệt trong hầm lên men yếm khí ở điều kiện nhiệt độ 350C trong

10 ngày, nhưng ở nhiệt độ 200C thì phải ủ tới 20 ngày Việc kiểm soát nhiệt độ trong hầm ủ ở 370C và 54.90C trong thời gian 25 ngày đã không phát hiện các mầm bệnh chứa Salmonella, Streptococci và coliforms trong nghiên cứu xử lý trên chất thải phân lợn Do vậy ở điều kiện hoạt động của hầm ủ ở nhiệt độ thấp (15-

200C) một số nghiên cứu đề nghị cần phải có công đoạn xử lý sơ bộ đối với chất thải rắn trước khi đưa vào, nhằm nâng cao tốc độ phân hủy trong hầm ví dụ xử lý

nhiệt các hợp chất hữu cơ (THP) (Appels et al., 2010) Công đoạn tiền xử lý có thể

xử lý bằng hóa chất, cơ học, sinh học và bằng nhiệt các nguyên liệu chất thải trước khi đưa vào hầm lên men yếm khí đã có hiệu quả tích cực đến quá trình sinh khí

(Appels et al., 2008) Việc tiền xử lý bằng nhiệt được cho là đơn giản, và hiệu quả

Tuy nhiên tùy theo nhiệt độ xử lý và thời gian xử có kết quả khác nhau

Climent et al (2007); Phothilangka et al (2008) kết luận rằng việc tiền xử lý

chất thải rắn ở nhiệt độ 700C trong thời gian 9 giờ đã nâng hiệu suất sinh khí lên 50-80% Tuy nhiên khi xử lý ở nhiệt độ 500C trong thời gian 48 giờ chỉ tăng được 11% (Nges and Liu, 2009) hoặc ở nhiệt độ xử lý 1200C trong thời gian 30

phút thì chỉ tăng được 25% (Jeong et al., 2007) và thậm chí năng suất sinh khí

cũng không tăng khi nhiệt độ xử lý lên 135-1900C (Bougrier et al., 2008)

Thời gian lưu (là khoảng thời gian lý thuyết mà một phần tử hoặc đơn vị chất lỏng đi vào và lưu tại hầm phân huỷ) Đại lượng này được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân huỷ và thể tích nguyên liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn

vị thời gian lưu nước là ngày

Thể tích hầm phân huỷ m3

T (ngày) = -

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 18

Khối lượng nguyên liệu đi vào (m3/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 đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả nữa Nếu thời gian lưa nước lớn hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 35oC, lượng biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu có tang lên nữa thì lượng biogas cũng không tang them 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 khoẻ được xem xét đến thì các giá trị này phải lớn hơn ngưỡng giá trị nhỏ nhất

Quá trình phân huỷ 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 huỷ diễn ra hoàn toàn Thời gian lưu biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị hoá 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 huỷ nhằm tang thời gian lưu của phần sinh khối này

Thời gian phân huỷ của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt

độ Ở giai đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tang rất nhanh và sau một khoảng thời gian lưu, nó tiến tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất Đối với vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, thời gian phân huỷ tối ưu khoảng 20 – 30 ngày Đối với vi khuẩn ưa nhiệt thời gian phân huỷe chỉ từ 3 – 10 ngày Chủng loại vi khuẩn này có thể phân huỷ tạo lượng khí nhiều hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn

2.2.5.2 Tỷ lệ C/N (Carbon/Nitơ)

Để tạo điều kiện sinh trưởng và hoạt động tối ưu của vi khuẩn, điều cần thiết là phải cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng dưới dạng các hợp chất hoá học với nồng độ thích hợp Cacbon và nitơ (có trong protein, nitrat …) là những thành phần dinh dưỡng chính của vi khuẩn kỵ khí Nguồn C sẽ cung cấp năng lượng cho hoạt động của vi khuẩn, N cần thiết cho quá trình tổng hợp tế bào Để hàm lượng N được cung cấp hợp lý, nguồn cơ chất đầu vào sẽ được xem xét đến khái niệm tỷ lệ C/N Khái niệm này được quan tâm từ rất sớm, với nguồn cơ chất

là phân bò, tỷ lệ C:N khoảng 15 :1 – 25 :1 Sau đó khái niệm này được mở rộng

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 19

đối với nhiều nguồn cơ chất khác nhau Tuy nhiên với nhiều nghiên cứu về sau,

tỷ lệ này gần bằng với chỉ số biểu thị khả năng phân huỷ sinh học của cơ chất Tỷ

lệ C có khả năng phân huỷ sinh học và lượng N có sẵn trong cơ chất khoảng

25 :1 là điều kiện lý tưởng của quá trình phân huỷ tạo biogas Lý do: vi khuẩn kỵ khí không thể sử dụng hết tất cả nguồn C trong cơ chất đầu vào và một cách tương tự, không phải tất cả dạng tồn tại N trong cơ chất đi vào hầm phân huỷ đều

có giá trị với vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn metan hoá Vi khuẩn lên men sử dụng nguồn C nhanh gấp 25 – 30 lần so với N, do đó tỷ lệ C:N tối ưu đòi hỏi phải từ

25 – 30:1 Khi tỷ lệ này bị thay đổi, hiệu quả của quá trình phân huỷ sẽ bị giảm Nếu tỷ lệ C/N quá cao, lượng N sẽ bị vi khuẩn metan hoá tiêu thụ nhanh được tổng hợp protein của chúng và sẽ không còn đủ để phản ứng với C còn lại trong nguyên liệu, do đó lượng khí biogas sinh ra sẽ thấp Mặt khác nếu tỷ lệ C/N quá thấp, thành phần N sẽ giải phòng và tích luỹ dưới dạng amoni (NH4) NH4 sẽ làm tăng pH trong hầm phân huỷ pH cao hơn 8,5 sẽ là một yếu tố gây cản trở hoạt động của vi khuẩn metan hoá

Các vi khuẩn axit hoá và vi khuẩn metan hoá đều cần tỷ lệ C/N : 25 – 30:1 cho quá trình hoạt động tối ưu Mặc dù các loại chất thải hữu cơ khác nhau có tỷ

lệ C :N khác nhau nhưng hỗn hợp của các nguyên liệu này trước khi vào hầm phân huỷ phải đảm đạt tỷ lệ C/N khoảng 25 – 30:1

HCO3- + CH3COOH <=> H2O + CO2 + CH3COO

-Dãy pH tối ưu của hầm ủ nằm trong khoảng (6,8- 7,4) Khi tỷ lệ sinh các axit béo bay hơi quá khả năng vi khuẩn metan hoá 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 huỷ, lấy từ nguồn bên ngoài Độ kềm bicabonat trong quá trình phân huỷ 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 cộng phải duy trì ở mức 0,5

Sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của các enzym Các VSV

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 20

và enzym của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ưu, thể hiện qua tác động về chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng hoạt hoá 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 that đổi ổn định của nhóm enzym có khả năng ion hoá

- Làm thay đổi thành phần enzym không có khả năng oxy hoá trong hệ thống

- Làm biến tính hệ enzym

Các vi khuẩn metan hoá nhạy cảm với sự thay đổi pH hơn so với vi khuẩn axit hoá và chỉ hoạt động trong khoảng pH hẹp (pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn metan hoá khoảng 6,8 – 8,5; vi khuẩn axit hoá có thể tồn tại trong môi trường pH thấp khoảng 5,5)

Nồng độ và dạng tồn tại của amoniac 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) Amoniac tồn tại ở dạng NH4+ không gây độc đối với vi khuẩn, ngược lại với amoniac tự do Nồng độ NH3 ở mức 100 ppm sẽ rất độc và có thể

là nguyên nhân gây hỏng hầm ủ

2.2.5.4 Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng trong nguyên liệu chất thải

Một số kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy nguyên liệu chất thải đưa vào hầm có vai trò hết sức quan trọng đến năng suất sinh khí CH4 Khi các nguyên liệu đầu vào có hàm lượng chất béo cao sẽ làm tăng nhanh năng suất CH4 cao hơn so với các nguyên liệu có thành phần giàu hàm lượng protein, xơ và urea do

quá trình oxy hóa khử mạch cacbon ở mỡ mạnh hơn (Cirne et al., 2007) và cho

hiệu suất sinh khí cao hơn (Jeyaseelan và Matsuo, 1995) Tuy nhiên một vấn đề

là khi sử dụng nguyên liệu chất thải giàu chất béo dẫn đến giảm pH nhanh chóng

và có thể ảnh hưởng đến một loại vi khuẩn phân hủy khác (Cirne et al., 2007)

Việc sử dụng phương pháp xử lý hỗn hợp bao gồm chất thải chăn nuôi (có độ hàm lượng xơ cao) kết hợp 2-5% sản phẩm phụ của quá trình chế biến thực phẩm (như mỡ súc vật, dầu cá, dầu ô liu ) được đưa vào hầm để xử lý phân hủy cũng được cho là giải pháp phù hợp trong việc xử lý chất thải quy mô công nghiệp (Zitomer vàAdhikari, 2005) và có thể tăng được hiệu suất sinh khí CH4 lên 150%

(Gelegenis et al., 2007)

2.2.5.5 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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 21

nước là môi trường cần thiết cho sự di chuyển của vi sinh vật, hoạt động của các enzym ngoại bào và thuỷ hoá các polyme sinh học, tạo điều kiện cho quá trình phân huỷ

Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nước trong hầm phân huỷ 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, tuỳ thuộc vào tính chất hoá học và khả năng phân huỷ sinh học của chúng Theo các nghiên cứu cho thấy, hiệu suất của quá trình phân huỷ 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 hoà trộn với nước có 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 vào hầm phân huỷ

Đối với 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 các bọt khí bám chặt vào sẽ làm nguyên liệu nổi lên trên bề mặt hầm ủ, khi đó quá trình phân huỷ sẽ không diễn ra được Chính vì vậy quá trình phâ huỷ đòi hỏi phải có sự hiện diện của pha lỏng Trong trường hợp nguyên liệu là sinh khối thải, nghiên cứu cho thấy, sinh khối bùn tươi sẽ phân huỷ 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 luỹ 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 huỷ sinh học của chúng trong hầm phân huỷ Hàm lượng TS càng cao, hầm phân huỷ sẽ có thể tích càng nhỏ và chi phí đầu tư cho hệ thống sẽ thấp

Tuy nhiên, một số nghiên 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 hoá 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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 22

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 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

2.2.5.6 Thành phần gây độc

Nồng độ cao của amoniac, chất kháng sinh, thuốc trừ sau, bột giặt và kim loại nặng là các yếu tố gây độc đối với VSV, ảnh hưởng đến khả năng sinh khí biogass Tỷ lệ C/N thấp trong hỗn hợp đầu vào sẽ làm tăng hàm lượng amoniac Chất kháng sinh sử dụng trong thức ăn của vật nuôi hoặc khi tiêm phòng bệnh cho vật nuôi có thể gây ra các tác động tiêu cực đến khả năng sinh biogas Nồng

độ tối đa cho phép của một số chất độc hại được trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.7 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 23

PHẦN 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG, THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

3.1.1 Đối tượng:

Chất mồi (inoculum) và chất thải chăn nuôi lợn

(Chất mồi được sử dụng là các chất: Nước thải sau biogas, dịch dạ cỏ, bùn

ao Nhằm bổ sung VSV khởi đầu cho quá trình lên men yếm khí)

3.1.2 Địa điểm và thời gian:

Các thí nghiệm được triển khai tại Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn – Viện Chăn nuôi trong mùa hè từ tháng 5 – tháng 7/2015

3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đề tài gồm có hai nội dung như sau:

3.2.1 Nội dung 1: Ảnh hưởng của việc bổ sung một số chất mồi phụ gia tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau đến năng suất sinh khí trong điều

(inoculum)-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 CỨU

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu cho 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

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 (phân và nước tiểu) của lợn ăn khẩu phần lợn nuôi công nghiệp Hỗn hợp chất thải được pha loãng với nước sạch theo tỷ lệ 1/6, tiến hành bổ sung chất mồi (inoculum) như dịch dạ cỏ, bùn ao tù ướt, bùn ao tù khô, nước thải sau