Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
2.3. Các biện pháp và công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi
2.3.1. Phương pháp xử lý vật lý
Các phương pháp vật lý thường được dùng để tách chất thải rắn ra khỏi chất thải lỏng để xử lý theo các cách khác nhau. Chất thải rắn sau khi tách có thể được xử lý bằng phương pháp ủ hay đốt trước khi làm phân bón. Đốt chất thải rắn, phương pháp này có độ an toàn vệ sinh dịch bệnh cao nhất, đảm bảo diệt được cả bào tử của vi khuẩn. Phương pháp này khá đơn giản chỉ cần đào một hố, lót rơm hay mùn cưa ở dưới đáy. Sau đó để xác động vật, phân hay
chất thải rắn khác lên, tiếp theo đậy lại bằng gỗ rồi đổ nhiên liệu lên và đốt. 2.3.2. Xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm Biogas (Hệ thống khí sinh học).
Trong thực tiễn, tùy từng nơi, từng quy mô trang trại có thể sử dụng loại hầm Biogas khác nhau cho phù hợp. Xử lý chất thải chăn nuôi bằng hệ thống khí sinh học được đánh giá là giải pháp hữu ích nhằm giảm khí thải methane ( khí có khả năng gây hiệu ứng nhà kính) và sản xuất năng lượng sạch. Đến năm 2014, với trên 500.000 công trình khí sinh học hiện có trên cả nước đã sản xuất
ra khoảng 450 triệu m3 khí gas/ năm. Hiện nay việc sử dụng hầm Biogas đang
được người chăn nuôi quan tâm vì vừa bảo vệ được môi trường, vừa có thể thay thế chất đốt hoặc có thể sử dụng cho chạy máy phát điện, tạo ra điện sinh hoạt gia đình và phục vụ trang trại.
Hình 2.3. Xây dựng hầm Biogas composite và túi khí dự trữ 2.3.3. Xử lý chất thải bằng chế phẩm sinh học. 2.3.3. Xử lý chất thải bằng chế phẩm sinh học.
Từ đầu thập kỷ 80 của thế kỷ trước người ta đã sử dụng các chất men để giảm ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi được gọi là “Chế phẩm EM (Effective Microorganisms) có nghĩa là vi sinh vật hữu hiệu”. Ban đầu các chất này được nhập từ nước ngoài nhưng ngày nay các chất men đã được sản xuất nhiều ở trong nước. Các men nghiên cứu sản xuất trong nước cũng rất phong phú và có ưu
điểm là phù hợp hơn với điều kiện tự nhiên, khí hậu nước ta. Người ta sử dụng men sinh học rất đa dạng như: Dùng bổ sung vào nước thải, dùng phun vàochuồng nuôi, vào chất thải để giảm mùi hôi, dùng trộn vào thức ăn…
Chăn nuôi trên đệm lót sinh học là sử dụng các phế thải từ chế biến lâm sản (Phôi bào, mùn cưa) hoặc phế phụ phẩm trồng trọt (Thân cây ngô, đậu, rơm, rạ, trấu, vỏ cà phê…) cắt nhỏ để làm đệm lótcó bổ sung chế phẩm sinh học.Sử dụng chế phẩm sinh học trên đệm lót là sử dụng “bộ vi sinh vật hữu hiệu” đã được nghiên cứu và tuyển chọn chọn thuộc các chi Bacillus, Lactobacillus,
Streptomyces, Saccharomyces, Aspergillus…với mong muốn là tạo ra lượng vi sinh vật hữu ích đủ lớn trong đệm lót chuồng nhằm tạo vi sinh vật có lợi đường ruột, tạo các vi sinh vật sinh ra chất ức chế nhằm ức chế và tiêu diệt vi sinh vật có hại, để các vi sinh vật phân giải chất hữu cơ từ phân gia súc gia cầm, nước giải giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Hình 2.4. Chăn nuôi trên đệm lót sinh học 2.3.4. Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ (Compost). 2.3.4. Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ (Compost).
Xử lý chất thải bằng phương pháp ủ phân hữu cơ (Compost) là sử dụng
hay gián tiếp của vi sinh vật phân hủy và làm tăng cao chất lượng của sản phẩm, tạo nên phân bón hữu cơ giàu chất dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng. Người ta chọn chỗ đất không ngập nước, trải một lớp rác hoặc bã phế thải trồng trọt dầy khoảng 20cm, sau đó lót một lớp phân gia súc hoặc gia cầm khoảng 20-50% so với rác (Có thể tưới nếu phân lỏng, mùn hoai), tưới nước để có độ ẩm đạt 45- 50% rồi lại lại trải tiếp một lớp rác, bã phế thải trồng trọt lên trên… đến khi đống ủ đủ chiều cao (Không sử dụng cỏ tranh, cỏ gấu để ủ). Dùng tấm ni lông, bạt… đủ lớn để che kín đống phân ủ. Cứ khoảng một tuần đảo đều đống phân ủ và bổ xung nước cho đủ độ ẩm khoảng 45-50%, che ni long, bạt kín lại như cũ. Ủ phân bằng phương pháp này hoàn toàn nhờ sự lên men tự nhiên, tiêu diệt được phần lớn các mầm bệnh nguy hiểm, thậm chí ủ phân có thể phân hủy được cả xác động vật chết khi lượng phế thải thực vật đủ lớn.
Hình 2.5. Xử lý chất thải chăn nuôi bằng phương pháp ủ phân hữu cơ. 2.3.5. Xử lý bằng công nghệ ép tách phân. 2.3.5. Xử lý bằng công nghệ ép tách phân.
Đây là công nghệ hiện đại được nhập vào nước ta chưa lâu nhưng rất hiệu quả và đang được nhiều nhà chăn nuôi quan tâm áp dụng. Dựa trên nguyên
tắc “lưới lọc” máy ép có thể tách hầu hết các tạp chất nhỏ đến rất nhỏ trong hỗn hợp chất thải chăn nuôi, tùy theo tính chất của chất rắn mà có các lưới lọc phù hợp. Khi hỗn hợp chất thải đi vào máy ép qua lưới lọc thì các chất rắn được giữ lại, ép khô và ra ngoài để xử lý riêng còn lượng nước theo đường riêng chảy ra ngoài hoặc xuống hầm Biogas để xử lý tiếp. Độ ẩm của sản phẩm (Phân khô) có thể được điều chỉnh tùy theo mục đích sử dụng. Quá trình xử lý này tuy đầu tư ban đầu tốn kém hơn nhưng rất hiện đại, nhanh, gọn, ít tốn diện tích và đang là một trong những biện pháp hiệu quả nhất đối với các trang trại chăn nuôi lợn, trâu bò theo hướng công nghiệp hiện nay.
2.3.6. Xử lý nước thải bằng oxy hóa.
2.3.6.1. Xử lý bằng sục khí.
Nước thải được tiếp xúc nhiều hơn với không khí và như vậy quá trình ô xi hóa xảy ra nhanh, mạnh hơn. Đồng thời kích thích quá trình lên men hiếu khí, chuyển hóa các chất hữu cơ, chất khí độc sinh ra trở thành các chất ít gây hại tới môi trường. Sau khi lắng lọc nước thải trong hơn giảm ô nhiễm môi trường và có thể dùng tưới cho ruộng đồng.
2.3.6.2. Xử lý bằng Hidro peroxit (H2O2)
Hidro peroxit H2O2 thường được ứng dụng rộng rãi như: Tẩy rửa vết thương trong y tế, làm chất tẩy trắng trong công nghiệp,chất tẩy uế, chất ôxi
hóa… Người ta cũng có thể bổ sung Hidro peroxit H2O2 vào trong nước thải để
xử lý môi trường. Thông thường H2O2 phân hủy một cách tự nhiên theo phản ứng
tỏa nhiệt thành nước và khí oxy như sau:
2H2O2 → 2H2O + O2 + Nhiệt lượng.
Trong quá trình phân hủy (phản ứng xảy ra mạnh mẽ khi có xúc tác), đầu tiên oxy nguyên tử được tạo ra và tồn tại trong thời gian rất ngắn rồi nhanh chóng
thành khí O2. Oxy nguyên tử có tính oxy hóa rất mạnh vì vậy đã oxy hóa các
chất hữu cơ, diệt khuẩn, khử mùi hiệu quả trong dung dịch chất thải. Bổ sung H2O2 vào nước thải xử lý môi trường tuy có tốn kém chút ít nhưng hiệu quả cao.
Cần chú ý khi bổ sung H2O2 xử lý môi trường là phải tìm hiểu cách bảo quản
H2O2, liều lượng, chất xúc tác… và nồng độ đủ thấp để an toàn. Nếu nồng độ cao dễ xảy ra cháy, nổ hoặc ngộ độc nguy hiểm.
2.3.7. Xử lý bằng bể UASB
Bể UASB là bể kỵ khí, dòng nước chuyển động thẳng đứng từ dưới lên trên đi qua lớp đệm bùn trong đó bao gồm các sinh khối được hình thành dưới dạng hạt nhỏ hay hạt lớn. Giải pháp này cho phép nước thải tiếp xúc với các hạt bùn. Các khí sinh ra trong quá trình thủy phân lại là nguyên nhân tạo nên sự chuyển độngbên trong đệm bùn.
Hình 2.6. Cấu tạo bể UASB
Bể UASB có thể xây dựng bằng bê tông cốt thép, thường xây hình chữ nhật. Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí có độ
nghiêng ≥ 35O so với phương ngang. Nhiệt độ càng cao thì hiệu quả xử lý của bể
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí xảy ra (bùn + nước
thải) tạo ra khí (70 – 80% CH4). Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt
bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình tách pha khí - lỏng - rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 - 10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống. Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên. vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6 – 0.9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt ). pH thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí dao động trong khoảng 6.6 – 7.6.
Gần đây, các công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi được sử dụng phổ biến như xử lý bằng công nghệ ủ Biogas, công nghệ xử lý thông qua bể UASB, công nghệ xử lý bằng chế phẩm sinh học, công nghệ ép tách phân,…Tuy nhiên, các công nghệ này chỉ xử lý được chất thải chăn nuôi riêng biệt, chưa có công nghệ nào xử lý triệt để và hiệu quả các chất thải chăn nuôi dẫn đến vấn đề ô nhiễm môi trường vẫn còn trầm trọng.
2.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM. THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.
2.4.1. Cơ sở khoa học của việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng chế phẩm vi sinh. Trong chất thải chăn nuôi có chứa các hợp chất tồn tại trong thức ăn, việc sử dụng chế phẩm vi sinh giúp thúc đẩy quá trình phân giải các hợp chất trên được nhanh hơn.
2.4.1.1. Phân giải xenlulo
Xenlulo (glucan): là hợp chất cao phân tử được trùng hợp (polymer hóa)
từ các gốc β-D–glucozo bằng liên kết β–1,4 – glucozơ nhờ khả năng tự dưỡng
dưới ánh sang mặt trời của giới thực vật. Xenlulo là thành phần chính trong rơm rạ và rất khó phân hủy, quá trình phân hủy xenlulo được thực hiện bằng một hệ enzyme có sự phối hợp chặt chẽ với nhau để bẻ gãy mạch xenlulo cuối cùng tạo ra đường glucose.
Hệ sinh vật phân hủy xenlulo khá phong phú gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn
và nấm mốc. Chúng có khả năng tiết vào môi trường enzyme thủy phân xenlulo.
Hệ enzyme này gồm 3 enzym là endoglucanaza, exoglucanaza và β –
XenlulozơendogluanazaXenlulozơexoglucanazaXenlobiozơxenlobiazaGlucozơ tự nhiên hoạt động.
Enzymendogluanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay là enzyme không đặc hiệu, nó làm trương xenlulozo tự nhiên thành chuỗi xenlulozo hoạt động có mạch
ngắn hơn và bị enzyme exoglucanaza tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan
xenlobiozo và cuối cùng thành glucozo.
Nấm là nhóm vi sinh vật chủ yếu phân hủy polysaccarit, trong đó cơ bản là
glucan (xenlulozơ) tạo ra mùn. Trong số các loại nấm được nghiên cứu nhiều nhất là Tricoderma viside (reesei). Các loại thuộc nấm này tiết ra một lượng lớn các enzym khác nhau, trong đó xenlulaza là chính có khả năng phối hợp phân hủy xenlulo. Ngoài ra, xenlulo còn được thủy phân bởi các chủng vi sinh vật khác như: Vi khuẩn: Cytophaga, Sporocytophaga, sorangium, clostridium, Bacillus,
Bacteroides, Cellulomonas, Pseudomonas... Nấm sợi: Penicillium, Aspergilus,
Mucor,Tricoderma, rhizopus... Xạ khuẩn: Actinomyces, Stretomyces, Actinopolysprora, Pseudonocardia... (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.2. Phân giải hemixenlulo
Hemixenlulo (xylan): là một phức hệ gồm Endo-1,4-β-D-mannaza và 1,4 - β - D- xylozidaza. Enzym mannaza thủy phân xylan thành các oligosaccarit hòa
tan trong nước và enzym xylozidaza sẽ tiếp tục thủy phân. Sản phẩm cuối cùng là
xyloza và mannozo.
Các enzym hemixenlulo (xylanama) rất phổ biến trong tự nhiên, chúng được vi sinh vật sinh ra từ đất, nước, trong dạ cỏ động vật nhai lại... Enzym này được sản sinh từ các chủng vi sinh vật như: Vi nấm (nấm sợi, nấm mốc): các
enzym phân hủy hemixenlulo có nguồn gốc từ nấm như Tricoderma, Aspergillus,
Fusarium... Các loài nấm Tricoderma khi phát hiện trên xác thực vật sinh ra một
lượng lớn xylanaza, có khả năng phân hủy không những xylan mà còn phân hủy
cả glucan, cacbonxy- metyl- xenlulozo, P- nitrophenyl- β- glucozit, xylosligome.
Vi khuẩn cũng có khả năng sinh xylanaza tổ hợp. Trong số vi khuẩn được nghiên
cứu nhiều nhất là Bacillus. Vi khuẩn này sinh enzym thủy phân rơm rạ (cơ chất là
arabinoxylan) và sản phẩm chủ yếu là xylobiozo và một lượng nhỏ
xylooligosaccarit có độ trùng hợp cao. Enzym này phân hủy xylan của rơm rạ và
gỗ thông rụng lá theo phương thức endoxylanaza và giải phóng ra xylobiozo và
thành ở giai đoạn đầu của quá trình thủy phân. Tiếp theo tiến trình phản ứng thủy phân xylooligosaccarit có độ trùng hợp thấp sẽ phân hủy tiếp thành xylobiozo và xylozo (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.3. Phân giải pectin
Pectin là một loại polygalacturonic, một hợp chất cao phân tử có nhiều trong quả, củ, hạt và trong thân thực vật. Pectin được phân giải tạo ra sản phẩm cuối cùng là axit D galacturonic.
Pectin không tan → pectin hòa tan → axit pectin + rượu metylic → acid D galacturonic
Pectin bị phân giải bởi enzym pecticnaza. Enzym này được sản sinh nhờ một số loài vi khuẩn và nhiều loài nấm mốc. Trong xử lý xác thực vật thì nấm đóng vai trò chủ yếu trong việc phân hủy các chất pectin, còn ở điều kiện kị khí thì vi khuẩn lại đảm nhiệm vai trò này. Một số vi sinh vật (Botrytis cinnerea,
Fusarium oxysporum, F. Lycopersici) có khả năng gây bệnh thực vật là do chúng tiết enzym hòa tan pectin. Erwvinia caratovora làm tan mô ở xà lách, cà rốt... Số lượng các cơ thể phân hủy pectin trong đất là cực kỳ lớn (105 tế bào/gam đất).
Các vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus macerans và Bacillus polimisa nằm trong
số vi sinh vật phân hủy pectin mạnh mẽ nhất (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.4. Phân giải lipid
Quá trình thủy phân lipit gây ra do vi sinh vật sản sinh enzym lipaza nội
tại. Bước đầu tiên của phản ứng là sự thủy phân. Dưới tác dụng của enzym lipaza
thủy phân thành glyxerin và axit béo. Sau khi photphorin hóa, glyxerin tiếp tục
được chuyển hóa theo đường Embden-Meyerhof-Panas và tích lũy tại năng lượng
ATP. Các axit béo được đồng hóa nhờ quá trình β-oxy hóa giải phóng nhiệt làm
ấm môi trường cho vi sinh vật ưa nhiệt, giải phóng CO2 cung cấp cho quang hợp
(Nguyễn Xuân Thành và cs., 2015).
2.4.1.5. Phân giải protein
Protein là hợp chất cao phân tử chứa nito, thành phần cơ bản của chất nguyên sinh, trong protein chứa khoảng 15-17% nito. Cũng như những cao phân tử khác, protein bị phân hủy bên ngoài tế bào bởi các enzym ngoại bào thành những mẩu nhỏ hơn có thể xâm nhập vào tế bào. Protein phân hủy tạo thành các oligopeptit và các axit amin. Các oligopeptit được vi sinh vật hấp thụ nhờ những
thành các axit amin. Những axit amin này được thu nhận vào protein của tế bào, hoặc được tách amin trên những con đường trao đổi chất đặc biệt, được lôi cuốn vào các con đường trao đổi chất trung gian và bị oxi hóa tận cùng.
Protein → Polypeptit → Oligopepetit → Axit amin → NH3
Các nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy protein bao gồm vi khuẩn:
bacillus mycoides, B.mesentercus, B. subtilis, Ptoteus vulgaris,
Chromobacterium prodigiosum... Xạ khuẩn: Streptomyces griseus, S.rimesus. Nấm: Aspergillus oryzae, A.terircoda, A.niger, Penicillium camomberli, Mucor
(Nguyễn Xuân Thành và cs. 2015).
2.4.1.6. Phân giải tinh bột
Tinh bột là hợp chất hydratcacbon cao phân tử có trong hạt ngũ cốc và
còn nhiều trong rơm rạ. Tinh bột được cấu tạo bởi hai thành phần chính là
Amylose (khoảng 25%) và Amylopectin (khoảng 75%). Tinh bột được phân giải
nhờ các vi sinh vật có khả năng sinh sản enzyme amylaza ngoại bào giúp phân
giải tinh bột thành các phần đơn giản hơn. Tinh bột dưới tác dụng của enzym amylaza sẽ bị thủy phân thành dextrin, đường maltozo và gluco. Các enzym amylaza thường có trong các hạt củ mầm, đặc biệt ở các môi trường nuôi cấy vi sinh vật có tinh bột. Các vi sinh vật có khả năng sinh amylaza là nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn.
Các enzym amylaza gồm có α – amylaza, β – amylaza và γ – amylaza