Khoảng 30% nitơ trong khẩu phần ăn được con vật sử dụng để sinh tổng hợp protein tạo sản phẩm động vật, phần còn lại được thải ra phân và nước tiểu. Nitơ trong nước tiểu dưới dạng urê được enzyme urease của vi khuẩn có trong tự nhiên phân giải thành amoniac và khí carbonic (Vũ Duy Giảng, 2010).
Theo Nguyễn Thị Hoa Lý (1994), các chỉ tiêu ô nhiễm trong chất thải của gia súc đều cao hơn người: theo tỉ lệ tương ứng BOD5 (nhu cầu oxy hóa) là 5:1, N- tổng là 7:1, TS (tổng chất rắn) là 10:1.
Khối lượng chất thải chăn nuôi được sản sinh ra phụ thuộc vào giống, độ tuổi, giai đoạn phát triển, khẩu phần thức ăn và thể trọng của gia súc và gia cầm.
Bảng 2.6: Lƣợng phân gia súc, gia cầm thải ra hằng ngày tính trên phần trăm trọng lƣợng cơ thể
Loại gia súc Khối lƣợng phân (% trọng lƣợng)
Heo 6 – 8 Bò sữa 7 – 8 Bò thịt 5 – 8 Gà, vịt 5 (Nguồn:Trương Thanh Cảnh, 2006) 2.3.3 Quá trình hình thành các khí ô nhiễm
Theo Hobbs et al., (1995) các khí thải sinh ra từ chất thải chăn nuôi, dựa theo thành phần hóa học, có thể chia ra 4 nhóm: các sulphide, các acid béo bay hơi, các phenol và indol. Nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh và ctv (1997) cho thấy các chất khí chứa nitơ như amoniac và khí chứa lưu huỳnh như H2S là các khí có tác dụng gây mùi lớn nhất. Trong các acid béo dễ bay hơi được tạo ra từ chất thải chăn nuôi thì acid acetic là acid chiếm tỷ trọng lớn nhất, chiếm tới 60% tổng các acid béo bay hơi.
Theo Bùi Đức Lũng và Lê Hồng Mận (1999), nuôi gà chuồng nền lượng amoniac (NH3) và sulfua hydro (H2S) thải ra liên tục cùng với CO2 của gà thải ra, gây ô nhiễm không khí và gây tác hại lớn cho sức khỏe và dễ gây nhiễm nhiều bệnh khác.
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải khí ô nhiễm từ chăn nuôi: có nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến sự hình thành và phát tán các khí ô nhiễm hay khí gây mùi trong chăn nuôi.
- Thức ăn và nước uống: Thức ăn là nguồn nguyên liệu gốc đầu tiên để tạo nên hầu hết các khí thải đặc biệt là khí gây mùi trong chăn nuôi. Theo nghiên cứu của Spoestra (1980) trong quá trình lưu trữ chất thải chăn nuôi khí metan được sinh ra tỷ lệ nghịch với sự tạo thành các khí gây mùi. Khi ức chế quá trình sinh mêtan sẽ làm tăng sự tạo các sản phẩm khí gây mùi. Nếu quá trình sinh mêtan không bị ức chế, các hợp chất tạo khí gây mùi sẽ được oxy hóa triệt để tới sản phẩm cuối cùng là CO2 và CH4. Các yếu tố làm ức chế quá trình sinh
mêtan là nhiệt độ thấp, hàm lượng kim loại nặng hay nồng độ cao của các khí H2S, NH3…
- Bản thân con vật: Các loài gia súc, gia cầm khác nhau có mức độ tác động gây ô nhiễm khác nhau. Một số loài gia súc, gia cầm có thể gây mùi khó chịu hơn loài khác. Trạng thái sức khỏe và giai đoạn phát triển của gia súc, gia cầm cũng là những yếu tố ảnh hưởng tới sự sản sinh ra các khí ô nhiễm và gây mùi. Sự ảnh hưởng này chủ yếu liên quan từ quá trình sử dụng thức ăn dẫn tới tăng hay giảm thải các chất thức ăn chưa được tiêu hóa theo phân hay nước tiểu.
- Phân và nước tiểu: Phân và nước tiểu là những nguồn phát sinh ô nhiễm chủ yếu từ chăn nuôi. Nhiều hợp chất gây mùi là sản phẩm của quá trình phân giải enzyme của vi sinh vật các chất trong phân hay nước tiểu. Hầu hết các khí gây mùi được tạo thành chủ yếu từ quá trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ được bài tiết từ gia súc, gia cầm qua phân… Protein có thể bị vi sinh vật lên men hay phân giải theo kiểu thối rữa thành các sản phẩm khí khác nhau như các khí gây mùi rất độc gồm các acid béo dễ bay hơi, phenol, indole, skatol, amoniac, amin, mercaptant, H2S, H2O2… Trong quá trình này, đầu tiên các vi sinh vật tiết enzyme ngoại bào là các protease để thủy phân protein thành các hợp chất có trọng lượng phân tử nhỏ hơn như polypeptide mạch ngắn và các olygopeptide. Các chất này lại tiếp tục bị phân giải thành các acid amin. Các acid amin này, một phần được vi sinh vật sử dụng để tạo sinh khối, phần còn lại sẽ tiếp tục được phân hủy theo các con đường khác nhau như quá trình khử amin, chuyển amin và khử carboxyl hay bằng nhiều quá trình chuyển hóa riêng biệt khác, tùy theo loại acid amin để tạo để tạo nên các sản phẩm khác nhau, đa phần là các khí độc (Trương Thanh Cảnh, 2010).
- Các yếu tố môi trường khu vực chăn nuôi: yếu tố ảnh hưởng đến bay hơi và khí thải có thể bao gồm nhiệt độ trong trại và ngoài trời, tốc độ thông thoáng gió và hao mòn chất thải (Heber et al., 2000). Tốc độ trao đổi không khí hay vận tốc gió có tương quan tỉ lệ thuận với quá trình phát tán khí thải chăn nuôi vào không khí do chúng làm giảm nồng độ khí thải ở bề mặt tiếp xúc hai pha lỏng và khí, cho nên sự phát xạ khí thải từ pha lỏng vào pha khí sẽ diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Nồng độ bụi trong không khí cũng có tương quan thuận với sự phát tán các loại khí ô nhiễm hay khí gây bụi. Bụi là yếu tố hấp phụ các khí thải nên cũng làm giảm nồng độ khí thải ở bề mặt tiếp xúc hai pha lỏng và khí.
2.3.4 Tác động của khí thải
Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới tác động gây ô nhiễm của các chất khí ô nhiễm trong chăn nuôi cho gia súc, gia cầm là nồng độ chất gây ô nhiễm và thời lượng phơi nhiễm, tức là thời gian mà con vật tiếp xúc với không khí ô nhiễm. Tùy thuộc vào nồng độ của các khí mà tác động của chúng lên gia súc, gia cầm khác nhau. Nồng độ và sự phát tán khí vào môi trường không khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện môi trường (nhiệt độ, ẩm độ, bức xạ,…), hệ thống chuồng trại, đặc biệt là cách thức thu gom, lưu trữ, vận chuyển và xử lý chất thải. Theo Trương Thanh Cảnh (1999), khả năng gây độc của khí thải chăn nuôi được phân thành các nhóm sau:
- Các khí gây ngạt: các khí gây ngạt đợn giản như CH4, CO2, có tính chất trơ về mặt sinh lý nhưng nếu hít vào nồng độ cao sẽ làm giảm khả năng tiếp cận oxy, gây nên hiện tượng ngạt thở. Khí gây ngạt hóa học (như CO) sẽ kết hợp với hemoglobin của hồng cầu máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hemoglobin, làm ngăn cản sự thu nhận oxy hay làm giảm quá trình sử dụng oxy của mô bào.
- Nhóm chất vô cơ hay hữu cơ dễ bay hơi: nhóm nay có thể bao gồm các nguyên tố hay hợp chất kim loại độc dễ bay hơi. Chúng tạo ra nhiều chất khí có tác dụng khác nhau khi vào cơ thể, chẳn hạn H2S ở nồng độ cấp tính.
- Các khí kích thích: các khí thuộc nhóm gây kích thích bao gồm NH3, H2S, indole, skatol, phenol, mercaptan… ở nồng độ bán cấp tính. Các khí gây tổn thương đường hô hấp và phổi, đặc biệt là gây tổn thương niêm mạc đường hô hấp. Ngoài NH3 còn gây kích thích thị giác, giảm thị lực…
- Các khí gây mê: là các hợp chất carbonhydrat có ảnh hưởng ít hoặc không ảnh hưởng đến phổi, nhưng nếu hít vào một lượng lớn sẽ được hấp thu vào máu và sẽ có tác dụng như dược phẩm gây mê.
Bảng 2.7: Giới hạn cho phép các khí có mùi trong chuồng nuôi
Chất khí Mùi Giới hạn (mg/m3
)
Allyl mercaptan Mùi tỏi, rất khó chịu
0,00005
Ammonia Mùi khai 0,037
Benzyl mercaptan Mùi khó chịu 0,00019 Crotyl mercaptan Mùi chồn hôi 0,000029 Ethyl mercaptan Mùi bắp cải thối 0,00019 Ethyl sulphide Mùi gây ói 0,00025
Sulfua hydro Mùi thối 0,0011 Methyl mercaptan Mùi bắp cải thối 0,0011 Methyl sulphide Mùi rau, cải thối 0,0011 Skatol Mùi phân 0,0012
Sulfur dioxide Mùi hăng cay 0,009 Thiocresol Mùi chồn hôi 0,0001 Thiophenol Mùi thối rữa 0,000062
(Nguồn: Trương Thanh Cảnh, 2010; Muller, 1987)
Bảng 2.8: Yêu cầu vệ sinh thú y không khí chuồng nuôi
Chỉ tiêu Đơn vị tính Giới hạn tối đa
NH3 ppm 10
H2S ppm 5
2.3.5 Đặc điểm một số khí thải chính
Khí carbon dioxide (CO2): trong chăn nuôi, CO2 được tạo thành do hô hấp của bản thân con vật và do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ có trong chất thải, CO2
là khí gây ngạt đơn giản. Khi tiếp xúc với CO2 ở nồng độ 3 – 5% sẽ gây hiện tượng trầm uất, đau đầu, buồn nôn. Ở nồng độ 10% có thể gây bất tỉnh. Khi tiếp xúc với khí CO2 ở nồng độ 20 – 30%, ngoài triệu chứng trên còn có thể làm nhịp tim đập yếu dẫn đến ngừng đập. Khi nồng độ CO2 lên đến 50%, nếu tiếp xúc với khí này trong thời gian khoảng 30 phút sẽ bị tử vong.
Khí mêtan (CH4): metan là sản phẩm khí của quá trình oxy hóa vi sinh vật kỵ khí các chất hữu cơ trong chất thải chăn nuôi. Các chất hữu cơ nhất là polysaccharide đầu tiên được chuyển hóa thành các acid béo mạch ngắn như acetic, propionic, butyric và một số khí khác. Các sản phẩm trung gian này sau đô bị oxy hóa thành CO2 và acid acetic và cuối cùng bị khử thành mêtan. Metan là khí không màu, không mùi, dễ cháy. Nếu nồng độ CH4 trong không khí trên 45% sẽ gây mê hay gây ngạt thở ở người. ở nồng độ 40.000 mg/m3
CH4 sẽ gây tai biến cấp tính cho người với triệu chứng co giật, nhức đầu ói mửa. Tuy nhiên khí CH4 nếu được thu gom dưới dạng biogas có thể dùng vào mục đích năng lượng.
Amoniac (NH3) : Amoniac là khí không màu, có mùi khai, dễ tan trong nước và gây kích thích. Amoniac là sản phẩm của quá trình phân giải các hợp chất chứa nitơ trong phân và nước tiểu gia súc, gia cầm. Khi thải ra ngoài nhất là khi nước tiểu trộn lẫn với phân gia súc, gia cầm, chúng nhanh chóng được vi sinh vật trong phân phân giải thành amoniac. Theo thống kê EPA về quản lý chất thải chăn nuôi gia súc và ứng dụng phân bón đóng góp 85% tổng lượng khí thải amoniac thải ra ở Mỹ trong năm 1998 (U.S. EPA, 2000).
Phần lớn các NH3 thải ra từ động vật có nguồn gốc từ hỗn hợp từ phân và nước tiểu. Trong các loại chim, gia cầm; phân và nước tiểu kết hợp để tạo thành phân, nitơ bài tiết trong phân và nước tiểu bị chi phối bởi urê, acid uric và không phân hủy protein, các quá trình phân hũy đơn giản cho mỗi hợp chất được thể hiện trong phương trình từ 1 đến 3 (Groot Koerkamp et al., 1998; Arogo et al., 2006). Urê (CO(NH2)2) được thủy phân bằng enzyme urease như phương trình 1 và bị ảnh hưởng bởi hoạt động của urease, pH và nhiệt độ (Elzing and Monteny, 1997). Acid uric (C5H4O3N4) và protein không phân hủy bị suy giảm thông qua hoạt động của vi sinh vật, thể hiện trong phương trình 2 và 3; và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ẩm độ, pH (Whitehead and Raistrick, 1993). Các phản ứng urê liên quan
(phương trình 1) là phổ biến của ba phương trình và đóng góp nhiều nhất cho khí thải NH3 (Arogo et al., 2006).
CO(NH2)2 + H2O CO2 + 2NH3
C5H4O3N4 + 3/2O2 + 4H2O 5CO2 + 4NH3 Protein không phân hủy NH3
Ở nồng độ 5 – 50 ppm, amoniac gây mùi dễ nhận biết. Khi nồng độ tăng lên từ 100 – 500 ppm gây kích thích các niêm mạc, tăng tiết các dịch. Ở nồng độ 2.000 – 3.000 ppm, chúng gây sùi bọt mép hay ho và có thể gây tử vong ở nồng độ 10.000 ppm. Amoniac cũng gây tác động tương tự cho vật nuôi. Trong điều kiện chuồng trại thông thoáng thì ảnh hưởng của NH3 là không đáng kể. Ngược lại, khi amoniac tích tụ ở nồng độ cao sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của gia súc, gia cầm.
NH3 và hổn hợp hóa học (NHx) là thành phần quan trọng chịu trách nhiệm về quá trình acid hóa hợp chất ngoài lưu huỳnh (SOx), nitrogen oxides, và các thành phần hữu cơ dễ bay hơi (Finlayson-Pitts et al., 2000).
Trong máu, NH3 bị oxy hóa thành NO2, ion này có ái lực mạnh với hồng cầu trong máu hơn oxy nên chúng tranh chỗ liên kết với hemoglobin tạo thành methemoglobin, cản trở sự tiếp nhận oxy, ức chế khả năng vận chuyển oxy tới các cơ quan, gây ngạt từ tế bào (methemoglobinemia), trường hợp nặng gây thiếu oxy ở não, nhức đầu, mệt mỏi, hôn mê, thậm chí dẫn đến tử vong. Ngoài ra, NH3
có thể chuyển hóa sang dạng acid trong dung dịch có tác dụng ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ chuồng nuôi hay các thiết bị kim loại khác.
- Khí sulfua hydro (H2S): H2S là khí không màu, rất độc, dễ bay hơi, có mùi trứng thối điển hình; với hàm lượng rất nhỏ (0,0010
/00 – 0,0020/00) đã phát hiện thấy mùi (Đỗ Ngọc Hòe et al., 2005) . Khi thức ăn giàu protit, tiêu hóa kém, sulfua hydro được sinh ra nhiều trong đường tiêu hóa của gia cầm, ngoài ra chúng cũng được sinh ra trong quá trình khử các hợp chất chứa lưu huỳnh trong chất thải. Theo Lương Đức Phẩm (2007) H2S được hình thành chủ yếu ở môi trường yếm khí. Ở những nơi giàu Oxi, H2S không tồn tại vì nó chuyển hóa thành lưu huỳnh (S). Sunfat do phản ứng với Oxi và 1 phần được hấp thụ vào không khí. Cơ quan
Urease
Vi sinh vật Vi sinh vật
khứu giác của người có thể cảm nhận H2S ở nồng độ ngưỡng khoảng 0,01 – 0,7 ppm và gây mùi nặng khi đạt nồng độ 3 – 5 ppm.
Phản ứng hình thành sulfua hydro: SO4
2-
+ Hợp chất hữu cơ S2- + H2O + CO2
S2- + 2H+ H2S
Sulfua hydro là khí độc, có thể gây chết khi tiếp xúc với một lượng nhỏ. Khi tiếp xúc với H2S sẽ gây tác động toàn thân, ức chế các enzym hô hấp dẫn đến ngạt và gây tử vong ở nồng độ 150 ppm (Bruce, 1981).
Theo Đỗ Ngọc Hòe et al., (2005) tác dụng trúng độc sulfua hydro nguy hiểm không kém gì trúng độc acid cianhydric (HCN). Sulfua hydro vào cơ thể qua đường hô hấp sẽ bị kiềm hóa trên dịch niêm mạc để thành nuối natri sulfit (Na2S). Muối này sẽ đi vào máu và bị thủy phân để thành sulfua hydro (tân sinh). Chỉ tiêu vệ sinh cho phép sulfua hydro trong không khí là 0,01 ml/l hoặc 0,015 mg/l. Đây cũng chính là chỉ tiêu vệ sinh đánh giá mức độ nhiễm bẩn không khí.
2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP Ủ 2.4.1 Phƣơng pháp ủ yếm khí
Hệ vi sinh vật trong phân có thể phát triển mạnh nếu có điều kiện thuận lợi cho sự sinh sản của vi sinh vật (nhiệt độ, ẩm độ, thoáng khí). Trong quá trình ủ phân sẽ xảy ra các quá trình sinh hóa phức tạp, dưới tác dụng của vi khuẩn, một số lượng lớn chất hữu cơ của phân chuồng bị phân giải và làm giảm trọng lượng chất khô của phân, chỉ khi ủ phân trong điều kiện yếm khí thì sự phân giải mới dừng lại ở giai đoạn đầu do các acid hữu cơ được tạo thành và tích lũy lại kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Sản phẩm cuối cùng của quá trình là hỗn hợp khí CO2, CH4, NH3... Trong quá trình phân hủy phân các vi sinh vật tạo thành acid gồm cả vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy tiện. Chúng chuyển hóa các sản phẩm phân hủy thành các acid hữu cơ bậc thấp, cùng các chất hữu cơ khác như acid hữu cơ, H2S, CO2, H2. Theo Lương Đức Phẩm (2007) vi khuẩn phân kị khí sử dụng oxi trong những hợp chất nitrat, sulfat để oxi hóa các chất hữu cơ. Theo các phản ứng sau:
Chất hữu cơ + NO3 - CO2 + N2 Chất hữu cơ + SO4 2- CO2 + H2S
Trong quá trình làm thối protein trong phân, bên cạnh amoniac con giải phóng một lượng nhỏ sunfua. Khả năng giải phóng hidro có trong một số nhóm vi khuẩn
Vi khuẩn kị khí Vi khuẩn kị khí
gây thối là do có enzym desulfuraza. H2S không bền trong môi trường thoáng khí và bị oxi hóa bằng con đường hóa học nhờ vi khuẩn lưu huỳnh Thiobacillus thuộc họ Nitrobacteriaceae và một số nấm.
2H2S + O2 S2 + 2H2O