Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Áp dụng và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết hợp hồ sinh học

Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết hợp hồ sinh học; tìm cách sử dụng có hiệu quả nước thải sau xử lý hầm biogas; đề xuất các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất thải của hệ thống hầm biogas kết hợp hồ sinh học nhằm góp phần bảo vệ môi trường, phát triển bền vững trong chăn nuôi.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỠNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS: Trịnh Thị Thanh

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng: số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã được cảm ơn và thông trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013 Người thực hiện luận văn

Phan Công Ngọc

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường nói chung, Bộ môn Công nghệ Môi trường nói riêng đã tạo điều kiện tốt cho tôi hoàn thành khóa học này

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013

Người thực hiện luận văn

Phan Công Ngọc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

- Mục tiêu nghiên cứu 2

- Phạm vi nghiên cứu 2

- Nội dung nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chất thải chăn nuôi – nguồn gốc, thành phần, tính chất 1.1.1 Chất thải rắn và lỏng 4

1.1.2 Khí thải 7

1.2 Ảnh hưởng chất thải chăn nuôi lợn đến môi trường 9

1.2.1 Ô nhiễm môi trường nước 9

1.2.2 Ô nhiễm môi trường không khí 10

1.2.3 Ô nhiễm môi trường đất 15

1.3 Công nghệ sinh học kị khí xử lý nước thải chăn nuôi 15

1.3.1 Cơ chế của quá trình lên men kị khí 15

1.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mêtan 20

1.4 Tổng quan về hồ sinh học trong xử lý nước thải 25

1.4.1 Khái quát chung về hồ sinh học 25

1.4.2 Quan hệ giữa giới thủy sinh trong hệ thống hồ sinh học và vai trò của chúng trong làm sạch nước thải 25

1.4.3 Phân loại hồ sinh học 27

1.4.3.1 Hồ hiếu khí 27

1.4.3.2 Hồ kị khí 28

1.4.3.3 Hồ tùy nghi 28

1.5 Tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan 29

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Phương pháp nghiên cứu 32

- Phương pháp thừa kế 32

- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa 33

- Phương pháp thống kê 33

- Phương pháp điều tra xã hội 33

- Phương pháp so sánh 33

- Phương pháp lấy mẫu, phân tích và đánh giá 33

- Phương pháp thực nghiệm 34

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thực trạng chăn nuôi và phát sinh chất thải quy mô hộ gia đình tại xã Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An 36

3.1.1 Thực trạng chăn nuôi lợn 36

3.1.1.1 Một số đặc trưng trong quy trình chăn nuôi lợn hộ gia đình 36

3.1.1.2 Quy mô chăn nuôi lợn 37

3.1.1.3 Hiện trạng an toàn vệ sinh chăn nuôi lợn tại các hộ gia đình 38

3.1.2 Thực trạng phát sinh chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ 40

3.1.2.1 Lượng phân 40

3.1.2.2 Nước thải 40

3.2 Phân tích và đánh giá hoạt động của hầm biogas composite, hồ sinh học 41 3.2.1 Hiện trạng hầm biogas composite tại các hộ gia đình 41

3.2.2 Hiện trạng hồ sinh học tại các hộ gia đình 44

3.3 Đánh giá hiệu quả xử lý của hầm biogas và hầm biogas kết hợp hồ sinh học 46

3.3.1 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của một số hầm biogas nghiên cứu 46

3.3.1.1 Tính chất nước thải đầu vào hầm biogas 46

3.3.1.2 Tính chất nước thải đầu ra hầm biogas 47

3.3.1.3 Đánh giá hiệu quả xử lý của các hầm biogas nghiên cứu 49

3.3.2 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải hầm Biogas kết hợp hồ sinh học 53

3.3.2.1 Tính chất nước thải tại hồ sinh học 53

3.3.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý của các hệ thống hầm biogas kết hợp hồ

sinh học 54

3.4 Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng chất thải sau hầm biogas và nước tại hồ sinh học 59

3.4.1 Mô hình thực nghiệm sử dụng nước xả sau hầm biogas 59

3.4.1.1 Mô hình thực nghiệm sử dụng nước xả sau hầm biogas tưới cây 59

3.4.1.2 Năng suất cây ớt trên các bình nghiên cứu 61

3.4.2 Mô hình thực nghiệm sử dụng nước hồ sinh học tưới cây 62

3.4.2.1 Quá trình sinh trưởng, phát triển cây ớt 62

3.4.2.2 Năng suất cây ớt 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 65

Kiến nghị 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm 4

Bảng 1.2 Thành phần hóa học cơ bản của các loại phân gia súc, gia cầm 5

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của phân lợn (Trọng lượng lợn từ 70 - 100 kg) 5

Bảng 1.4 Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng có trong phân gia súc và điều kiện tiêu diệt 6

Bảng 1.5 Thành phần nước thải ở một số trại lợn khu vực phía bắc 9

Bảng 1.6 Chất lượng không khí chuồng nuôi của các xí nghiệp quốc doanh 11

Bảng 1.7 Đặc điểm các khí sinh ra khi phân hủy kị khí 11

Bảng 1.8 Tác hại của amoniac lên người, gia súc, gia cầm 12

Bảng 1.9 Tác hại của H2S lên người và gia súc 13

Bảng 1.10 Thành phần khí biogas theo các tài liệu khác nhau 19

Bảng 1.11 Tỷ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật 21

Bảng 1.12 Tỷ lệ C/N của chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật 22

Bảng 1.13 Khả năng gây độc hại của một số chất 22

Bảng 1.14 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas 23

Bảng 2.1 Vị trí các hầm nghiên cứu 31

Bảng 3.1 Đặc điểm trong quy trình chăn nuôi lợn tại các hộ gia đình 37

Bảng 3.2 Một số đặc điểm về quy mô chăn nuôi tại các hộ nghiên cứu 38

Bảng 3.3 Một số đặc điểm về hiện trạng vệ sinh chăn nuôi tại các hộ gia đình nghiên cứu 40

Bảng 3.4 Khối lượng phân và nước thải của lợn thải ra trong 1 ngày đêm tại các hộ gia đình nghiên cứu 41

Bảng 3.5 Một số thông tin về hầm biogas composite, hồ sinh học ở tại các hộ gia đình nghiên cứu 42

Bảng 3.6 Hoạt động của hầm biogas composite tại các hộ gia đình nghiên cứu 43

Bảng 3.7 Một số thông tin về hồ sinh học tại các hộ gia đình nghiên cứu 45

Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý chất thải các hồ sinh học tại các hộ gia đình nghiên cứu 45 Bảng 3.9 Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu tại Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An 47 Bảng 3.10 Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các hệ thống hầm biogas kết

hợp hồ sinh học nghiên cứu tại Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An 53 Bảng 3.11 Quá trình phát triển cây ớt tại các bình sử dụng hỗn hợp nước xả với các

tỷ lệ khác nhau qua các tuần quan sát 54 Bảng 3.12 Năng suất quả thu được trên các bình thực nghiệm 59 Bảng 3.13 Quá trình sinh trưởng cây ớt khi sử dụng nước hồ sinh học tưới (B11) so

với khi sử dụng 100% nước kênh mương (B0) 61 Bảng 3.14 Năng suất quả thu được trên các bình thực nghiệm khi được tưới bón

bằng nước hồ sinh học so với bình đối chứng 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Biểu đồ sự phát triển các nhóm VSV trong lên men mêtan 15

Hình 1.2 Sơ đồ cơ chế tạo mêtan từ chất hữu cơ 17

Hình 1.3 Sơ đồ ba giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí 18

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các vùng trong hồ sinh hoc 26

Hình 3.1 Biểu đồ hiệu quả xử lý BOD5 trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 50

Hình 3.2 Biểu đồ hiệu quả xử lý COD trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 50

Hình 3.3 Biểu đồ hiệu quả xử lý SS trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 51

Hình 3.4 Biểu đồ hiệu quả xử lý T-N trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 52

Hình 3.5 Biểu đồ hiệu quả xử lý T-P trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 52

Hình 3.6 Biểu đồ hiệu quả xử lý Coliform trong nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu 53

Hình 3.7 Biểu đồ hiệu quả xử lý BOD5 trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 55

Hình 3.8 Biểu đồ hiệu quả xử lý COD trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 56

Hình 3.9 Biểu đồ hiệu quả xử lý SS trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 56

Hình 3.10 Biểu đồ hiệu quả xử lý T-N trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 57

Hình 3.11 Biểu đồ Hiệu quả xử lý T-P trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 57

Hình 3.12 Biểu đồ hiệu quả xử lý Coliform trong nước thải chăn nuôi lợn của hệ

thống biogas kết hợp hồ sinh học nghiên cứu 58 Hình 3.13 Biểu đồ tăng trưởng kích thước cây ớt tại các bình sử dụng hỗn hợp

nước xả với các tỷ lệ khác nhau qua các tuần quan sát 62

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BOD Nhu cầu ôxy sinh hóa, mg/l (Biochemical Oxygen Demand)

COD Nhu cầu ôxy hóa học, mg/l (Chemical Oxygen Demand)

DO Nồng độ ôxy hòa tan, mg/l (Dissolved Oxygen)

USEPA Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (United States Environmental

Protection Agency)

KSH Khí sinh học

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SS Chất rắn lơ lửng, mg/l (Suspended Solid)

T – N Tổng Ni-tơ, mg/l (Total Nitrogen)

T – P Tổng Phốt-pho, mg/l (Total Phosphogen)

VSV Vi sinh vật

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế ở nước ta, vấn đề ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề bức thiết hiện nay Một trong những nguồn chất thải gây ô nhiễm môi trường là từ chăn nuôi Ngành chăn nuôi ở nước ta những năm gần đây đã và đang phát triển nhanh chóng về cả chất lượng và quy mô Tuy nhiên, chăn nuôi hộ gia đình nhỏ lẻ cũng như trang trại chăn nuôi lớn việc quản lý và sử dụng các nguồn chất thải từ chăn nuôi còn nhiều bất cập Một số trang trại lớn đã có những biện pháp xử lý nguồn chất thải chăn nuôi Song còn một số trang trại chưa được quan tâm, đặc biệt là chăn nuôi nhỏ lẻ hộ gia đình việc xử lý chất thải hầu như còn bị thả nổi Một trong những nguyên nhân là do người chăn nuôi chưa hiểu rõ tầm quan trọng của việc xử lý nguồn chất thải Kinh phí phục vụ cho việc xử lý chất thải còn thấp, luật xử lý chất thải còn chưa đồng bộ và khó áp dụng, chăn nuôi nhỏ

lẻ cũng là một trong những nguyên nhân làm việc quản lý và xử lý chất thải còn gặp nhiều khó khăn

Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn có một giải pháp rất hiệu quả: Làm hầm biogas trong các hộ gia đình Sử dụng biogas phục vụ cho đun nấu, thắp sáng trong gia đình, đồng thời chất thải của động vật nuôi còn chất hữu cơ được xử

lý trong hầm kín, tránh được mùi hôi thối, xử lý ô nhiễm và chất cặn bã có thể sử dụng làm phân bón Giải pháp sử dụng hầm biogas ở nông thôn thực sự là một giải pháp hiệu quả

Nghệ An là một tỉnh nông nghiệp có nhiều điểm đặc trưng cho nông thôn Việt Nam Theo thống kê cho thấy, tiềm năng phát triển các mô hình biogas ở Nghệ

An quy mô hộ gia đình và quy mô công nghiệp là rất lớn Tính đến ngày 1/10/2010, toàn tỉnh có 308.567 con trâu, 395.973 con bò, 1.169.574 con lợn, 14.939.400 con gia cầm, hàng chục ngàn con dê và hươu nai, hàng năm thải ra môi trường 7.184.592 tấn chất thải rắn, 4.665.585 tấn chất thải lỏng và hàng trăm triệu mét khối chất thải khí [23] Nếu không được xử lý, lượng chất thải trên sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, không chỉ ở các trang trại có quy mô chăn nuôi lớn mà còn cả

ở chăn nuôi quy mô hộ gia đình

Đánh giá nhanh cho thấy, nếu được đưa vào sản xuất biogas, sẽ cho trên 538 triệu m3 khí sinh học/năm, tương đương khoảng 393 triệu lít xăng, trên 3 tỷ kWh điện hoặc 2 triệu tấn gỗ củi (Khoảng 1,7 tỷ m3 gỗ), tương đương hàng chục nghìn hecta rừng bị phá/năm [23]

Tại Nghệ An việc áp dụng biogas vào việc xử lý chất thải đã hình thành từ nhiều năm về trước và ngày càng phát triển thêm nhiều hầm biogas tại khắp các địa phương trong tỉnh Tuy nhiên, thực tế vận hành các hầm biogas còn có nhiều vấn đề phát sinh, nước thải, chất thải, khí thải sau xử lý chưa được tối ưu hoá và việc

nghiên cứu khắc phục vấn đề này chưa được chú trọng, chính vì vậy đề tài: “Áp

dụng và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết hợp hồ sinh học” được thực hiện

* Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết hợp hồ sinh học

- Tìm cách sử dụng có hiệu quả nước thải sau xử lý hầm biogas

- Đề xuất các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất thải của hệ thống hầm biogas kết hợp hồ sinh học nhằm góp phần bảo vệ môi trường, phát triển bền vững trong chăn nuôi

* Phạm vi nghiên cứu

Tại 9 gia đình chăn nuôi lợn quy mô hộ đại diện cho 9 xóm thuộc xã Nam Anh, huyện Nam Đàn, tỉnh Nghệ An

* Nội dung nghiên cứu

1 Thực trạng chăn nuôi và phát sinh chất thải quy mô hộ

- Thực trạng chăn nuôi: Quy trình chăn nuôi, quy mô chăn nuôi, các quy định và an toàn vệ sinh chăn nuôi, …

- Thực trạng phát sinh chất thải quy mô hộ

 Lượng phân lợn thải/ ngày (Đối với lợn nái, lợn thương phẩm, lợn con các cỡ…)

 Nước thải: Nguồn nước vệ sinh chuồng, lượng nước thải vệ sinh chuồng, phương cách rửa chuồng…

2 Phân tích và đánh giá hoạt động hệ thống hầm biogas kết hợp hồ sinh học

 Hâm biogas composite tại các hộ gia đình nghiên cứu

 Hồ sinh học tại các hộ gia đình nghiên cứu

3 Hiệu quả xử lý chất thải hầm biogas, hầm biogas kết hợp hồ sinh học

 Hiệu quả xử lý chất thải hầm biogas

 Hiệu quả xử lý chất thải hầm biogas kết hợp hồ sinh học

4 Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng nước thải sau hầm biogas và sau hồ sinh học

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chất thải chăn nuôi – nguồn gốc, thành phần, tính chất

1.1.1 Chất thải rắn và lỏng

* Phân

Là những thành phần từ thức ăn, nước uống mà cơ thể gia súc không hấp thụ được và thải ra ngoài cơ thể Trong phân chứa một lượng lớn các chất như Nitơ, Phốt pho, Kali, Kẽm, Đồng Các khoáng chất dư thừa cơ thể không sử dụng như

P2O5, K2O, CaO, MgO phần lớn đều xuất hiện trong phân Tùy theo loại gia súc, thức ăn, độ tuổi, khẩu phần ăn khác nhau mà lượng phân thải ra cũng sẽ khác nhau

cả về khối lượng lẫn thành phần Gia súc ở những độ tuổi khác nhau có khả năng tiêu hoá và nhu cầu cơ thể khác nhau Do vậy, lượng phân thải ra trong một ngày đêm sẽ không giống nhau

Bảng 1.1 Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm

Bảng 1.2 Thành phần hóa học cơ bản của các loại phân gia súc, gia cầm

tháng bên ngoài môi trường gây ô nhiễm đất, nước đồng thời còn gây hại cho sức khỏe của con người và vật nuôi Theo quan trắc và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước của Lê Trình [32] đã thống kê các loại vi khuẩn gây bệnh trong phân gia súc, gia cầm như sau:

Bảng 1.4 Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng có trong phân gia súc

và điều kiện tiêu diệt

Tên vi trùng, ký sinh

trùng

Khả năng gây bệnh

Điều kiện tiêu diệt Nhiệt độ (0C) Thời gian

(phút)

Salmonella paratyphi Phó thương hàn 55 30

Escherichia coli Viêm dạ dày, ruột 55 60

Xác súc vật chết do bệnh luôn là nguồn gây ô nhiễm chính cần phải được xử

lý để nhằm tránh lây lan cho con người và vật nuôi

* Thức ăn thừa, vật liệu lót chuồng và các vật chất khác

Loại chất này có thành phần đa dạng gồm: Cám, bột ngũ cốc, bột tôm, bột

cá, các khoáng chất bổ sung, rau xanh, các loại kháng sinh, rơm rạ,…

* Nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước thải của gia súc, nước vệ sinh gia súc, chuồng trại Đây là một nguồn chất thải ô nhiễm nặng

Mức độ ô nhiễm chất thải chăn nuôi khác nhau tùy theo cách thức làm vệ sinh chuồng trại khác nhau (Có hốt phân hay không hốt phân trước khi tắm rửa, số lần tắm rửa cho gia súc và vệ sinh chuồng trại trong một ngày…)

Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải từ các ngành công nghiệp khác (Axít, kiềm, kim loại nặng, chất ôxy hóa, hóa chất công nghiệp,…) nhưng chứa nhiều vi khuẩn, ấu trùng, giun sán có nguy cơ gây ra nhiều ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người

Trong nước thải, chất hữu cơ chiếm 70 – 80% gồm cellulose, protit, axít amin, chất béo, hydrat cacbon Các chất vô cơ chiếm 20 – 30% gồm cát, đất, muối, urê, amonium[15]

1.1.2 Khí thải

* Mùi hôi chuồng nuôi

Là do hỗn hợp khí được tạo ra từ quá trình lên men phân hủy phân, nước tiểu gia súc, thức ăn dư thừa…Cường độ của mùi phụ thuộc mức độ thông thoáng của chuồng nuôi, tình trạng vệ sinh, mật độ nuôi, điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, độ

ẩm

Thành phần các chất khí trong chuồng nuôi cũng biến đổi tùy theo giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ, thành phần thức ăn, hệ thống vi sinh vật và sức khỏe của vật nuôi

* Sự hình thành khí chuồng nuôi

NH3 và H2S được hình thành chủ yếu từ quá trình phân hủy của phân do các

vi sinh vật gây mùi hôi, ngoài ra NH3 còn được sinh ra từ sự phân giải urê từ nước tiểu Thành phần các khí trong chuồng nuôi biến đổi tùy theo giai đoạn phân hủy chất thải hữu cơ, tùy theo thành phần của thức ăn, hệ thống vi sinh vật và tình trạng sức khỏe của vật nuôi Khí sinh ra chủ yếu là NH3, H2S, CH4 và CO2 Theo Phạm Thị Ngọc Lan [15], trong từ 3 – 5 ngày đầu, mùi hôi sinh ra rất ít do vi sinh vật chưa phát triển mạnh Nhóm –NH2 của amin được tách ra để hình thành NH3

Quá trình khử amin:

Alanine Axít lactic + NH3

Serine Axít pyruvic + NH3

NH3

Protein H2S

Indole Scatole phenol

Axít hữu cơ mạch ngắn

Quá trình phân giải urê:

CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3

(NH4)4CO3 ít bền vững nên dễ bị phân hủy tiếp

(NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O

* Phân loại khí chuồng nuôi

Theo Trương Thanh Cảnh [2], các khí sinh ra từ chăn nuôi được chia thành các nhóm sau:

+ Nhóm các khí kích thích: Những khí này có tác hại gây tổn thương đường hô hấp

và phổi, đặc biệt là gây tổn thương niêm mạc của đường hô hấp Nhất là NH3 gây nên hiện tượng kích thích thị giác, làm giảm thị lực

+ Nhóm các khí gây ngạt: Các chất khí gây ngạt đơn giản (CO2 và CH4): Những chất khí này trơ về mặt sinh lý Đối với thực vật, CO2 có ảnh hưởng tốt, tăng cường khả năng quang hợp Nồng độ CH4 trong không khí từ 45% trở lên gây ngạt thở do thiếu ôxy [2] Khi hít phải khí này có thể gặp các triệu chứng nhiễm độc như: Co giật, ngạt, viêm phổi

Các chất khí gây ngạt hóa học (CO): Là những chất khí gây ngạt bởi chúng liên kết với Hemoglobin của hồng cầu máu làm ngăn cản quá trình thu nhận hoặc quá trình sử dụng ôxy của các mô bào

Nhóm các khí gây mê: Những chất khí (Hydrocacbon) có ảnh hưởng nhỏ hoặc không gây ảnh hưởng tới phổi nhưng khi được hấp thu vào máu thì có tác dụng như dược phẩm gây mê

Nhóm các chất khí khác: Những chất khí này bao gồm các nguyên tố và chất độc dạng dễ bay hơi Chúng có nhiều tác dụng độc khác nhau khi hấp phụ vào cơ thể chẳng hạn như khí phenol ở nồng độ cấp tính

1.2 Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi lợn đến môi trường

1.2.1 Ô nhiễm môi trường nước

Nồng độ chất hữu cơ cao trong nước thải chăn nuôi lợn khi xảy ra quá trình phân hủy sẽ làm giảm nồng độ ôxy hòa tan trong nước, gây thiếu ôxy cho các quá trình hô hấp của hệ thủy sinh vật Quá trình phân hủy chất hữu cơ còn tạo môi trường phân hủy yếm khí sinh ra các hợp chất độc và những loài tảo độc tác động xấu đến hệ sinh thái trong vùng Khi các hệ sinh vật nước bị suy giảm sẽ gây mất cân bằng sinh thái, cản trở quá trình tự làm sạch của sông, ao hồ Con người, động vật, thực vật gián tiếp sử dụng nguồn nước này cũng sẽ bị tác động và ảnh hưởng xấu

Nhiều khu vực chăn nuôi nước thải vẫn không qua hệ thống xử lý mà thải trực tiếp ra môi trường bên ngoài (Kênh rạch, sông, ao hay cống thoát nước chung của khu vực) Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải chăn nuôi của Viện Công nghệ Môi trường Hà Nội [34] cho thấy nồng độ chất ô nhiễm ở một số trại lợn khu vực phía bắc là rất cao

Bảng 1.5 Thành phần nước thải ở một số trại lợn khu vực phía bắc

Hưng Yên 7,87 30,5 3584 202 158 54,9 1880

(Viện Công nghệ Môi trường Hà Nội, 2012)

Ngoài ra, trong phân gia súc, gia cầm còn chứa nhiều loại vi khuẩn, vi trùng hoặc trứng giun sán (Bảng 1.4) Chúng sẽ là nguồn gây bệnh cho con người cũng như những động vật khác

Bên cạnh đó, nước thải chăn nuôi có thể thấm xuống đất vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đặc biệt là những giếng mạch nông gần chuồng nuôi Khi phân hủy, thức ăn gia súc là những hợp chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, giàu Nitơ, Phốt pho và một số thành phần khác, tạo ra nhiều hợp chất như: Axít amin, axít béo, các chất khí CO2, CH4, H2S, NH3 gây mùi khó chịu và độc hại Đồng thời, sự phân hủy những hợp chất này còn làm thay đổi pH tạo điều kiện bất lợi cho quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm

Quá trình chuyển hóa urê trong nước tiểu động vật cũng góp phần đáng kể trong việc gây ô nhiễm môi trường nước

Trong nước, nồng độ NO3- cao có thể gây độc hại cho con người Do trong

hệ tiêu hóa, ở điều kiện thích hợp NO3

chuyển thành NO2

có thể hấp thu vào máu kết hợp với hồng cầu, ức chế chức năng vận chuyển ôxy của hồng cầu

1.2.2 Ô nhiễm môi trường không khí

Khí thường gặp trong chăn nuôi là NH3, H2S, CH4 và CO2 Những khí này tạo nên mùi hôi thối trong hầu hết khu vực chăn nuôi, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, sức khỏe con người và các loài động vật khác

Theo kết quả phân tích chất lượng môi trường không khí ở một số xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh của Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam [35] cho thấy môi trường không khí trong khu vực chăn nuôi và văn phòng bị ô nhiễm nặng

Bảng 1.6 Chất lượng không khí chuồng nuôi của một số xí nghiệp quốc doanh

Vị trí lấy mẫu Hàm lượng chất gây ô nhiễm (mg/m

Xí nghiệp chăn nuôi lợn Phước Long

Xí nghiệp chăn nuôi lợn 3/2

(Viện Khoa học Miền Nam, 1999)

Có rất nhiều loại khí sinh ra trong quá trình phân hủy hiếu khí hay kị khí chất thải chăn nuôi Thành phần chất thải chăn nuôi có thể chia làm 3 nhóm: Protein, carbohydrate và mỡ Quá trình phân hủy kị khí sinh ra nhiều sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối khác nhau

NH3

Protein Indole, Schatole, phenol

Axít hữu cơ mạch ngắn Alcoho Aldehydes,ketones Carbohydrates Các axít hữu cơ H2O, CO2, hydrocarbon mạch ngắn Alcoho Aldehydes và ketones

Mỡ Axít béo H2O, CO2 và CH4

Bảng 1.7 Đặc điểm các khí sinh ra khi phân hủy kị khí

Loại khí Mùi Đặc điểm Giới hạn

NH 3

Mùi hăng, xốc

Nhẹ hơn không khí 20 ppm

Kích thích mắt và đường hô hấp trên gây ngạt ở nồng độ cao, dẫn

đến tử vong

CO 2

Không mùi

Nặng hơn không khí 1000 ppm

Gây uể oải, nhức đầu, có thể gây ngạt dẫn đến tử vong ở nồng độ

cao

H 2 S Mùi trứng

thối

Nặng hơn không khí 10 ppm

Là khí độc gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, bất tỉnh, tử vong

CH 4

Không mùi

Nhẹ hơn không khí

1000 ppm Gây nhức đầu, gây ngạt, gây nổ ở

nồng độ 5 - 15% trong không khí

(Trương Thanh Cảnh, 2002)

* Ảnh hưởng của khí NH3

Trong chăn nuôi lợn, lượng nước tiểu sinh ra chủ yếu là khí NH3 Chất khí này ở nồng độ cao kích thích mạnh lên niêm mạc, mặt, mũi, đường hô hấp dễ dị ứng tăng tiết dịch, hay gây phỏng do phản ứng kiềm hóa kèm theo tỏa nhiệt, gây co thắt khí quản và gây ho Đặc biệt, nó có thể hủy hoại đường hô hấp, từ phổi vào máu, lên não gây nhức đầu và có thể dẫn đến hôn mê Trong máu, NH3 bị ôxy hóa tạo thành NO2 làm hồng cầu trong máu chuyển động hỗn loạn, ức chế chức năng vận chuyển ôxy đến các cơ quan, làm cho trẻ bị xanh xao, trường hợp nặng có thể gây thiếu ôxy ở não, dẫn đến nhức đầu, mệt mỏi, hôn mê thậm chí có thể tử vong [27]

Bảng 1.8 Tác hại của amoniac lên người, gia súc, gia cầm

Người

Liên tục tiếp xúc > 6 –

100 ppm trong 1 giờ Ngứa ở bề mặt niêm mạc

400 ppm trong 1 giờ Ngứa ở mặt, mũi, cổ họng

1720 ppm (<30 phút) Ho, co giật dẫn đến tử vong

700 ppm (<60 phút) Lập tức ngứa mắt, mũi và cổ họng

5000 – 10000 ppm (vài phút)

Gây khó thở, ngạt thở, xuất huyết phổi, ngất, có thể tử vong

Lợn

> 10 ppm Gia tăng tỷ lệ gia súc bị ho

50 – 100 ppm Giảm tăng trọng/ngày: 12 -13%

Gà

> 30 ppm Giảm sản lượng trứng và thịt

(Dương Nguyên Khang, 2004)

* Ảnh hưởng của khí H2S

H2S là khí không màu, mùi trứng thối, được sinh ra trong quá trình khử các amin chứa lưu huỳnh trong thời kỳ ủ phân, lưu trữ và xử lý kị khí chất thải H2S là khí kích thích và gây ngạt Các phản ứng kích thích trực tiếp vào mô gây viêm màng kết Hít phải H2S sẽ gây kích thích đối với toàn bộ cơ quan hô hấp và có thể mắc các bệnh về phổi Ở 1.500 - 3.000 mg/m3 , H2S sẽ hấp thụ từ phổi vào máu gây thở gấp và kìm hãm hoạt động hô hấp [27] Ở nồng độ cao hơn, H2S ngay lập tức làm tê liệt trung tâm hô hấp Thông thường nạn nhân sẽ chết do ngạt thở trừ khi được hô hấp nhân tạo kịp thời Đây là ảnh hưởng độc hại đáng chú ý nhất của độc tính cấp của Hydrosulphur theo đường hô hấp cao, sự kích thích mắt xảy ra ở nồng

độ 15-30 mg/m3 [27]

Bảng 1.9 Tác hại của H 2 S lên người và gia súc

Người

10 ppm/vài phút Ngứa mắt

> 20 ppm/20 phút Ngứa mắt, mũi, họng

50 – 100 ppm/20 phút Nôn mửa, tiêu chảy

200 ppm/giờ Choáng váng, thần kinh suy nhược, dễ

gây viêm phổi

300 ppm/30 phút Nôn mửa trong trạng thái hưng phấn, bất

Khí mêtan là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu

cơ dễ phân hủy trong chất thải chăn nuôi CH4 là khí không màu, không mùi, có thể

cháy Trong không khí nếu nồng độ CH4 chiếm từ 45% trở lên thì sẽ gây ngạt thở

do thiếu ôxy Nếu tiếp xúc với CH4 ở nồng độ 40000 mg/m3 sẽ dẫn đến tai biến cấp tính biểu hiện bởi các triệu chứng như tức ngực, chóng mặt, rối loạn giác quan, tâm thần, nhức đầu, buồn nôn, say sẫm… Khi hít thở CH4 với nồng độ lên đến 60000 mg/m3 sẽ dẫn đến hiện tượng co giật, rối loạn tim và hô hấp, thậm chí gây tử vong Khí mêtan nếu được thu gom có thể sử dụng làm nguồn năng lượng [27]

* Ảnh hưởng của CO2

CO2 là khí không màu, không mùi, không cháy Trong không khí, nồng độ

CO2 khoảng 0,3 – 0,4% Nồng độ CO2 trong chuồng nuôi phụ thuộc vào nhiệt độ,

độ thông thoáng và số lượng vật nuôi vì nó là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải

Khi tiếp xúc với khí CO2 ở nồng độ thấp gây trầm uất, tức giận, ù tai, có thể ngất Khi tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 10% sẽ gây mệt mỏi, nhức đầu, rối loạn thị giác Khi tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 20 – 30% ngoài triệu chứng trên còn có thể dẫn đến tim đập yếu, ngừng đập Khi nồng độ CO2 lên đến 50%, nếu tiếp xúc với khí này trong thời gian khoảng 30 phút sẽ tử vong [27]

* Ảnh hưởng của bụi

Bụi trong hoạt động chăn nuôi cũng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gia súc Bụi bắt nguồn từ thức ăn, phân và các mô biểu bì của da Bụi mang theo các chất độc, chất lơ lửng và nhiều vi sinh vật gây bệnh Khi người tiếp xúc với bụi

sẽ bị viêm đường hô hấp, đặc biệt khi hít phải các bụi có kích thước < 5 µm (Hạt bụi nhỏ nên mũi không lọc được) sẽ kích thích tiết dịch và ho, rối loạn hô hấp và

tổn thương niêm mạc, tạo điều kiện cho vi sinh vật gây bệnh vào cơ thể người [27]

1.2.3 Ô nhiễm môi trường đất

Chất thải chăn nuôi không qua xử lý, được mang đi sử dụng cho trồng trọt như tưới nước, bón cho cây, rau, củ,…Những thực phẩm này làm thức ăn cho người

và động vật rất nguy hiểm Nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng tồn tại của mầm bệnh trong đất, cây cỏ có thể gây bệnh cho con người và gia súc; đặc biệt là các bệnh về đường ruột như thương hàn, phó thương hàn, viêm gan, giun sán,…

1.3 Công nghệ sinh học kị khí xử lý nước thải chăn nuôi

1.3.1 Cơ chế của quá trình lên men kị khí

Quá trình lên men kị khí chất thải hữu cơ trong điều kiện kị khí là một quá trình diễn ra phức tạp liên quan đến hàng trăm phản ứng, chất trung gian và mỗi phản ứng sẽ được xúc tác bởi một loại enzyme hay chất xúc tác

Phương trình chuyển hóa chất hữu cơ đã được đơn giản hóa như sau:

Lên men kị khí

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q

2.1.1.1 Quá trình phát triển của vi khuẩn kị khí

Hình 1.1 Biểu đồ sự phát triển các nhóm VSV trong lên men mêtan (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Vi sinh vật (VSV) hấp thu thức ăn trong môi trường để tăng trưởng Vậy, sự tăng trưởng của tế bào VSV là sự tăng trưởng về số lượng của các cấu tử trong tế bào gia tăng kích thước và trọng lượng

Đến cuối giai đoạn tăng trưởng thì tế bào phân cắt cho ra tế bào con Quá trình sinh học xảy ra trong lên men mêtan là quá trình phát triển các VSV yếm khí

và quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ thành các chất khí, trong đó khí mêtan chiếm tỉ trọng lớn nhất

Quá trình này được chia làm 2 giai đoạn:

* Giai đoạn 1:

Là sự phát triển hỗn hợp rất nhiều loài VSV có trong chất thải, pha này kéo dài khoảng 2 ngày Trong dịch lên men ta thấy có sự phát triển của vi khuẩn kị khí,

vi khuẩn hiếu khí và vi khuẩn kị khí không bắt buộc

Sỡ dĩ trong thời gian đầu có sự phát triển của cả vi khuẩn hiếu khí vì trong dịch lên men chất thải còn tồn tại một lượng ôxy hòa tan nhất định, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng ôxy hòa tan này để tăng số lượng Khi lượng ôxy hết dần, lượng vi khuẩn hiếu khí giảm dần và chết hết khi quá trình tạo mêtan xuất hiện

* Giai đoạn 2:

Trong giai đoạn 2 thấy có sự phát triển rất mạnh của các vi khuẩn thủy phân các chất hữu cơ và các vi khuẩn tạo axít Giữa 2 giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh các loài vi khuẩn sinh mêtan Đây là loài vi khuẩn chiếm số lượng nhiều nhất

và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men mêtan

Toàn bộ vi khuẩn tham gia quá trình lên men mêtan từ giai đoạn đầu cho đến giai đoạn cuối được phân lập và định dạng gồm 4 nhóm chính:

(1) Nhóm vi khuẩn lên men và thủy phân

(2) Nhóm vi khuẩn tạo axít

(3) Nhóm vi khuẩn sử dụng H2 tạo mêtan

(4) Nhóm vi khuẩn sử dụng axít acetic tạo mêtan

Các vi khuẩn kị khí tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ:

Clotridium spp, Peptoccocu anaerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp, Corynebactorium spp, Lactobacillus, Actinomyces và Staphylococcus [16]

Các vi khuẩn sinh mêtan trong mẻ phản ứng bao gồm:

(1) Nhóm vi khuẩn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus)

(2) Nhóm vi khuẩn hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina)

2.1.1.2 Quá trình phản ứng sinh hóa

Toàn bộ quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ xảy ra trong quá trình lên men

kị khí được thể hiện theo sơ đồ sau:

Hình 1.2 Sơ đồ cơ chế tạo mêtan từ chất hữu cơ (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ được chia làm 3 giai đoạn:

(1) Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử

(2) Tạo nên axít và H2

(3) Tạo mêtan

Hình 1.3 Sơ đồ ba giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Phân giải các chất hữu cơ và chất hữu cơ chứa polymer hữu cơ cao phân tử như protein, cacbohydrate, chất béo, lignin,… Phần lớn trong số các polymer cao phân tử này được phân hủy bởi các enzyme ngoại bào của vi khuẩn tạo thành những chất có phân tử lượng nhỏ hơn và có khả năng tan trong nước Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ tan được, là nguyên liệu cho các

vi khuẩn sinh axít hấp thụ ở giai đoạn 2 Những phản ứng thủy phân ở giai đoạn này biến đổi những chất hữu cơ như protein thành aminoacid, cacbohydrate thành các đường đơn, chất béo thành các axít chuỗi dài Tuy nhiên, các chất hữu cơ như là cellulose, lignin rất khó phân hủy đây là giới hạn của quá trình phân hủy kị khí Giai đoạn 2: Giai đoạn sinh axít và hydro

Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 được các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành các axít acetic, H2 và CO2, êtanon, mêtanon Số lượng các sản phẩm này tùy thuộc vào thành phần hóa học của nguyên liệu lên men, phương pháp lên men

Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo thành khí mêtan

Sản phẩm ở giai đoạn 2 được nhóm vi khuẩn tạo mêtan chuyển hóa thành

CH4 và các sản phẩm khác Vi khuẩn mêtan phát triển và tham gia trao đổi chất trong điều kiện hoàn toàn kị khí, tốc độ phát triển rất chậm so với vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 Các vi khuẩn này sử dụng các axít acetic, methanol, CO2, H2

để sản xuất mêtan trong đó axít acetic là nguyên liệu chính với 70% - 80% CH4 được sinh ra từ nó [16] Các phản ứng có thể diễn ra như sau:

Nguyên liệu CO2 + H2 + acetate

Nguyên liệu Propionate + Butyrate + Ethanol

CH3COO- + H2O CH4 + HCO3 - + năng lượng

4H2 + HCO3 - + H+ CH4 + 3H2O + năng lượng

Phần mêtan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ ethanol, axít formic nhưng phần này không quan trọng vì phần này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men kị khí Theo một số tài liệu tham khảo khác nhau lượng khí sinh ra như sau:

Bảng 1.10 Thành phần khí biogas theo các tài liệu khác nhau

Thành phần

Tỷ lệ % Theo Chongrak

Polpraset, 1989

Trung tâm ngành nước và môi trường, 1999

Theo Trần Hiếu Nhuệ, 1992

1.3.2 Một số yếu ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mêtan

Để sinh trưởng và phát triển, tất cả VSV đều có nhu cầu chung: Nước, nguồn năng lượng, nguồn C, nguồn N và hợp chất khoáng Đây là những yếu tố cơ bản cần

cho sự sinh trưởng, mà chúng không tự tổng hợp được, ta gọi đó là các nhân tố tăng trưởng Ngoài ra các nhân tố vật lý có thể tham gia vào quá trình dinh dưỡng, chúng

có thể cản trở, ức chế, hay tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng của các VSV như: Nhiệt độ, pH, ôxy, áp suất, độ ẩm, ánh sáng và các tia mang năng lượng

Sinh trưởng, sinh sản và trao đổi chất của VSV liên quan chặc chẽ với các điều kiện bên ngoài, các điều kiện bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác động qua lại với nhau

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ kị khí:

* Mức độ kị khí

Khí sinh học được sinh ra do hoạt động của nhiều chủng loại vi khuẩn, trong

đó có vi khuẩn sinh mêtan là quan trọng nhất, những vi khuẩn sống trong môi trường kị khí bắt buộc Vì vậy đảm bảo cho môi trường phân hủy tuyệt đối kị khí là một yếu quan trọng đầu tiên

* Nhiệt độ

Hoạt động của vi khuẩn trong mẻ ủ chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi trường bên ngoài, nhiệt độ ở đây là nhiệt độ môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến quá trình lên men Nhiều thí nghiệm cho thấy có 2 khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn ưa ấm và ưa nhiệt hoạt động

Vi khuẩn ưa ấm 25 0C – 40 0C

Vi khuẩn ưa nhiệt 50 0C – 65 0C

Nhìn chung nhiệt độ bên ngoài tăng thì quá trình tạo mêtan tăng Nhưng khi nhiệt độ 450C có hiện tượng tạo khí chậm lại Nhiệt độ trên 600C tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí kìm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 650C [13]

* pH

pH thích hợp cho vi khuẩn yếm khí hoạt động khoảng 6.6 – 7.6, thích hợp nhất từ 7.0 – 7.2 Tuy nhiên vi khuẩn tạo axít có thể chịu được pH thấp khoảng 5.5, nhưng vi khuẩn tạo mêtan bị ức chế ở pH đó [13]

* Tỷ lệ Cacbon và Nitơ (C/N)

Để tăng trưởng, mỗi VSV phải tìm trong môi trường các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tổng hợp các cấu tử tế bào cũng như nguồn năng lượng để hoạt động Các nguyên tố cần thiết là C, H, O, N, S, P, Mg, Fe, Ca, Mn và các nguyên tố vi lượng như Zn, Co, Cu và Mo Trong các chất hữu cơ các nguyên tố Cacbon và Nitơ

là chủ yếu và rất quan trọng trong quá trình tạo sinh khối của vi khuẩn kị khí Do đó

tỷ lệ C/N cần được kiểm soát để tạo điều kiện cho quá trình sinh khí mêtan tốt nhất

Tỷ lệ C/N thích hợp từ 25/1 – 30/1, bởi vì vi khuẩn sử dụng C nhiều hơn N từ 25 –

30 lần [13] Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amoniac là một độc

tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao

Nói chung, phân trâu bò, lợn có tỷ lệ C/N gần khoảng thích hợp Phân người

và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thường có tỷ lệ C/N cao Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu, chẳng hạn dùng phân người, phân gia súc với rơm rạ…

Bảng 1.11 Tỷ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật

Bảng 1.12 Tỷ lệ C/N của chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật

(Nguyễn Quang Khải, 2001)

* Hàm lượng chất khô

Hàm lượng chất khô là tỷ lệ giữa trọng lượng chất khô và tổng trọng lượng của nguyên liệu, thường biểu thị bằng phần trăm Đối với các loại phân, hàm lượng khô thích hợp vào khoảng 7% - 9% 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 phải pha thêm nước

Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 1 – 3 lít nước cho 1 kg phân [16]

(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003)

Chất độc ức chế vi khuẩn kị khí làm ảnh hưởng đến quá trình sinh khí của quá trình ủ kị khí Những biểu hiện thường gặp như: Làm ngăn cản quá trình sinh

khí dẫn đến giảm lượng khí sinh ra và nồng độ axít dễ bay hơi tăng Đây là quá trình lên men kị khí, do đó sự có mặt của ôxy thường gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa Trong trường hợp này, ôxy được xem như là chất tạo độc đối với những loài vi khuẩn kị khí Ngoài ra những chất độc có thể có trong dịch lên men

* Thời gian lưu

Là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị ủ yếm khí Trong thời gian này nguyên liệu bị phân hủy kị khí và sinh ra khí sinh học

Quá trình phân hủy trong điều kiện tự nhiên xảy ra trong thời gian dài, đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hang tháng, đối với nguyên liệu thực vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng năm Thời gian lưu được chọn căn cứ vào thời tiết địa phương và loại nguyên liệu nạp

Bảng 1.14 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas

Nguyên liệu Nhiệt độ Tỷ lệ C/N Hàm lượng

chất khô (%)

Thời gian lưu (ngày)

1.4 Tổng quan về hồ sinh học trong xử lý nước thải

1.4.1 Khái quát chung về hồ sinh học

Xử lý nước thải trong các ao hồ là phương pháp xử lý đơn giản nhất và đã được áp dụng từ thời xa xưa Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu

tư ít, chi phí vận hành rẻ tiền, quản lý hệ thống đơn giản

Quy trình xử lý nước thải theo phương pháp hồ sinh học khá đơn giản và được tóm tắt như sau:

Nước thải => Loại bỏ cát, sỏi => Các hồ ổn định => Nước đã xử lý

Cơ sở khoa học của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là hệ vi sinh vật trong nước và các thủy sinh vật khác Các chất bẩn

bị phân hủy thành các chất khí và nước Như vậy, quá trình làm sạch nước thải không thuần túy là quá trình hiếu khí mà còn có quá trình kị khí và tùy nghi

Phương pháp sử dụng hệ thống hồ sinh học để xử lý nước thải có một số ưu điểm sau:

+ Đây là phương pháp rẻ, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành, không đói hỏi cung cấp năng lượng

+ Có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải xuống tới mức thấp nhất

+ Có khả năng loại bỏ chất hữu cơ, chất vô cơ tan trong nước

+ Hệ vi sinh vật hoạt động trong hồ chịu được nồng độ các kim loại nặng tương đối cao (> 30 mg/l) [21]

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm:

+ Thời gian xử lý dài

+ Mặt bằng rộng

+ Trong quá trình vận hành phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên

+ Các hồ kị khí thường phát sinh mùi hôi do phân hủy các chất hữu cơ làm phát sinh khí, làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

1.4.2 Quan hệ giữa giới thủy sinh trong hệ thống hồ sinh học và vai trò của chúng trong làm sạch nước thải

Giới thủy sinh vật có trong nước là vi sinh vật (Chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật…), các loại động thực vật phù du (Tiêu biểu là tảo), các động vật bậc cao (Tôm, cua, sò, cá…), thực vật (Lục bình, rong, bèo…).Tùy vào nồng độ các chất ô nhiễm hay nồng độ các chất hữu cơ trong nước, ôxy hòa tan, độc tố…trong nước sẽ ảnh hưởng đến các loại này Nói chung, nếu nước bị ô nhiễm nặng, trước hết sẽ không còn ôxy hòa tan làm ảnh hưởng chung đến hệ sinh thái nước và đời sống của sinh vật thủy sinh nói riêng Dần theo thời gian, dưới tác động của nhiều yếu tố, hệ sinh thái nước sẽ được làm sạch trở lại

Quá trình làm sạch nước liên quan quan trực tiếp đến giới thủy sinh Quá trình sống của chúng hoạt động dựa vào quan hệ cộng sinh (Hoặc hội sinh) của toàn

bộ quần thể sinh vật có trong nước Phần chất không tan của hợp chất hữu cơ khi vào nước sẽ lắng xuống đáy, phần hòa tan sẽ được hòa lẫn trong nước Theo chiều sâu của ao hồ sẽ chia thành 3 vùng: Kị khí, tùy nghi và hiếu khí

Vùng kị khí sẽ xảy ra quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện không có ôxy Sản phẩm của quá trình này trước hết là các axít hữu cơ, sau đó thành CH4,

khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt chất sinh học cần thiết Ngược lại, vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình, đồng thời thực vật cũng che chắn cho vi sinh vật không bị chết dưới ánh nắng mặt trời Còn tảo, khi sống sẽ là thức ăn cho cá và các loại thủy sản khác, khi chết đi sẽ là dinh dưỡng cho vi sinh vật

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các vùng trong hồ sinh hoc

1.4.3 Phân loại hồ sinh học

1.4.3.1 Hồ hiếu khí

Hồ hiếu khí là loại hồ nông, chiều cao từ 0,3 – 0,5m Quá trình phân hủy chất hữu cơ chủ yếu dựa vào hệ vi sinh vật hiếu khí Loại hồ này gồm có hồ làm thoáng

tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo

Hồ làm thoáng tự nhiên: Ôxy từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên Được ánh sáng mặt trời chiếu rọi, hệ rong tảo sẽ quang hợp thải ra ôxy

Để đảm bảo ánh sáng cho nước, chiều sâu của hồ thường phải nhỏ, thường là 30 –

40 cm Do vậy, diện tích mặt thoáng của hồ phải lớn

Tải của hồ (Tính theo BOD) khoảng 250–300 kg BOD/ha.ngày Thời gian lưu nước của hồ là từ 3–12 ngày Hiệu quả làm sạch có thể tới 80–95% BOD, màu của nước thải có thể chuyển sang màu xanh của tảo Tùy vào thực tế, một số trường hợp có thể bố trí hệ thống sục khí cho hồ bằng các thiết bị khuấy cơ học hoặc nén

khí Nhờ đó, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn Nhờ vậy, chiều sâu của hồ có thể tăng lên (2-4m) Tải BOD của hồ cũng tăng lên, có thể đạt đến 400 kg BOD/ha.ngày Thời gian lưu nước của hồ có thể là 1 - 3 ngày Trong thực tế, việc xây dựng hồ sinh học bố trí hệ thống sục khí hợp lý sẽ làm cho hiệu quả xử lý cao [21]

1.4.3.2 Hồ kị khí

Là loại ao sâu, ít hoặc không có điều kiện hiếu khí Các vi sinh vật kị khí hoạt động trong điều kiện không có ôxy của không khí Chúng sử dụng ôxy từ các hợp chất như nitrat, sulfat để ôxy hóa chất hữu cơ thành các axít hữu cơ, rượu, khí

CH4, H2S, CO2, …nước

Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy Loại hồ này có thể tiếp nhận các loại nước thải có tải lượng ô nhiễm lớn, tải BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo Nước thải lưu ở hồ kị khí thường sinh ra mùi hôi thối khó chịu Vì vậy, thường không bố trí gần các khu dân cư và các xí nghiệp chế biến thực phẩm

Để duy trì điều kiện kị khí và giữ ấm nước trong hồ, chiều sâu hồ là khá lớn (Từ 2–6 m) Diện tích mặt thoáng không cần lớn (Thường bằng 10– 20% diện tích mặt thoáng hồ tùy nghi) Thời gian lưu nước dài Hiệu quả khử BOD trong hồ có thể đạt 65–80% vào mùa hè và 45–65% vào mùa đông [21]

1.4.3.3 Hồ tùy nghi

Loại hồ này rất phổ biến trong thực tế Đó là loại hồ kết hợp 2 quá trình song song nhau: Quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan có trong nước

và phân hủy kị khí cặn và bùn lắng ở vùng đáy

Đặc điểm của ao hồ tùy nghi xét theo chiều sâu thì có 3 vùng: Lớp trên là vùng hiếu khí (Vi sinh vật hiếu khí hoạt động), vùng giữa là vùng tùy nghi (Vi sinh vật tùy nghi hoạt động), và vùng kị khí ở phía dưới (Vi sinh vật kị khí hoạt động)

Nguồn ôxy cần thiết cho quá trình ôxy hóa chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước nhờ khuếch tán qua mặt nước do sóng, gió và nhờ tảo quang hợp dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Vùng hiếu khí ở phía trên mặt ao hồ có độ sâu tới 1m

Vùng kị khí xảy ra ở lớp đáy hồ Ở đây, các chất hữu cơ bị phân hủy kị khí sinh ra các khí CH4, H2S, H2, N2, CO2 (Trong đó chủ yếu là CH4) Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ cao, quá trình lên men khí mêtan xảy ra nhanh hơn Phân hủy các chất hữu cơ bằng con đường kị khí thường sinh ra các sản phẩm khí có mùi hôi khó chịu, gây nhiễm độc không khí… Trong hồ thường hình thành 2 tầng phân nhiệt: Tầng phía trên nhiệt độ cao và tầng phía dưới nhiệt độ thấp Tầng trên có O2, tảo phát triển, tiêu thụ CO2, làm cho pH chuyển sang kiềm (Có khi lên đến 9,8) Tảo phát triển mạnh rồi chết và tự phân hủy làm cho nước thiếu ôxy hòa tan, ảnh hưởng đến vi sinh vật hiếu khí, còn các vi sinh vật kị khí, tùy tiện hoạt động mạnh Trong trường hợp này, cần khuấy đảo để tránh hiện tượng quá tải chất hữu cơ Khi xây dựng hồ, nên chọn chiều cao khoảng 1 – 1,5 m, tỷ lệ chiều dài với chiều rộng là 1:1 hoặc 2:1 Những nơi có gió, diện tích hồ nên chọn rộng, còn những nơi ít gió nên xây hồ có nhiều ngăn Đáy hồ cần phải nén chặt, cần thiết phải chống thấm bằng lớp đất sét dày 15cm Bờ hồ cần gia cố tránh xói lở Nếu trong nước thải có hàm lượng kim loại nặng quá cao, cần phải xử lý sơ bộ nước thải (Hấp phụ, hấp thụ, trao đổi ion…) để làm giảm nồng độ của chúng [21]

1.5 Tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan

Năm 2008, nghiên cứu của Vũ Đình Tôn, Lại Thị Cúc, Nguyễn Văn Duy với

đề tài: “Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải bằng bể biogas của một số trang trại chăn nuôi lợn vùng đồng bằng sông Hồng”

Nghiên cứu được tiến hành tại 12 trang trại chăn nuôi lợn của ba tỉnh Hải Dương, Hưng Yên và Bắc Ninh Kết quả cho thấy, trung bình mỗi một trang trại có lượng chất thải rắn và chất thải lỏng được thải ra hàng ngày tương đối lớn (50 - 260

kg chất thải rắn; 3 - 20 m3 nước thải) Việc sử dụng hệ thống biogas để xử lý chất thải đã giảm thiểu đáng kể nồng độ BOD5 và COD trong nước thải: BOD5 trong nước thải ở chuồng lợn nái giảm 75,0 - 80,8 %, chuồng lợn thịt giảm 75,89 - 80,36

%; COD ở chuồng lợn nái giảm 66,85 %, ở chuồng lợn thịt giảm 64,94 - 69,73% Tuy nhiên, nồng độ COD sau khi xử lý qua hầm biogas vẫn còn cao hơn TCVN 5945/2005 BTNMT Nồng độ sulfua hoà tan giảm được đáng kể, song vẫn còn cao