Quy trình công nghệ xử lý phân heo theo phương pháp ủ có thể được biểu diễn như hình vẽ ở trang sau:
Hình 3: Công nghệ xử lý phân heo theo phương pháp ủ
Là quá trình sử dụng các vi sinh vật phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản. Với hệ thống xử lý phân và nước thải chăn nuôi sản xuất biogas, ta có thể thu được các sản phẩm hữu ích như : khí đốt, phân bón, thức ăn cho cá (sản phẩm rắn và lỏng). HỐ Ủ PHÂN SÂN PHƠI THÙNG SẤY HỆ THỐNG XỬ LÍ NƯỚC THẢI NƯỚC RỈ PHÂN HEO TƯƠI BIOGAS PHÂN HỮU CƠ THÀNH PHẦN
Khí đốt: biogas có thành phần gồm 60 – 75% CH4 và 25 – 40% CO2 là một loại nhiên liệu rất tốt so với các loại nhiên liệu truyền thống trước đây như than, củi, dầu … Khi cháy, nhiên liệu biogas không để lại muội than và tro nên có hiệu suất sử dụng rất cao. Do đó, việc tận dụng biogas trong đời sống người dân ở nông thôn cũng như trong sản xuất với vai trò làm một nguồn năng lượng phụ trợ thì có ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
Phân bón: sau khi qua hệ thống biogas, thành phần của cặn có các chất dinh dưỡng thích hợp để làm phân bón. Có thể lấy số liệu tham khảo ở bảng sau:
Bảng 8 : Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas
Chỉ tiêu Trước khi xử lý Sau khi xử lý
pH 7,4 7,9 – 8,0 COD (mg/L) 32000 5800 – 6600 BOD (mg/L) 10600 3400 – 3900 E.coli (MPN/ml) 15,76.107 12.104 – 15,56.103 Coliform (MPN/ml) 18,97.1010 12,3.103 – 25,74.105 Streptococcus (MPN/ml) 54,5.106 0,31.102 – 2,7.102 Trứng ký sinh trùng (trứng/g) 2750 105 – 175
(Nguồn :Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994)
Qua số liệu trên, ta có thể kết luận được số lượng ấu trùng và trứng giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi (trước khi xử lý), do đó an toàn hơn khi bón cho rau quả.
Thức ăn cho cá: phân và nước thải chăn nuôi sau khi qua xử lý ở bể biogas vẫn có thể sử dụng cho cá ăn. Số lượng vi trùng, ký sinh trùng đều giảm rõ rệt đến mức an toàn cho cá và cho người sử dụng. Hệ thống biogas còn góp phần giải quyết vấn đề mùi hôi cho cơ sở chăn nuôi và đặc biệt rất phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta.
Các giá trị của khí sinh học
Tính bền vững về kinh tế:
- Khí sinh học giúp giảm chi phí nhiên liệu của gia đinh dành cho việc đun nấu và thắp sáng. Một hầm khí sinh học tiết kiệm được khoảng 2.3 tấn củi đun, tương đương với 0,03 hecta rừng mỗi năm;
- Việc sử dụng bã thải sinh học góp phần làm tăng sản lượng cây trồng và rau xanh, giúp tạo thêm thu nhập gia đình. Một hầm khí sinh học mỗi năm sản sinh ra 30 tấn bã thải sinh chất lượng cao. Ước tính có tới 90% số hộ nông dân sử dụng khí sinh học cũng dùng bã thải khí sinh học để cải tạo cơ cấu đất trồng và duy trì chất hữu có trong đất;
- Tỷ lệ hoàn vốn nội tại của hầm khí sinh học là khoảng 39%.
Giảm khối lượng công việc:
- Hầm khí sinh học giúp giảm khối lượng công việc của người sử dụng, đặc biệt là phụ nữ nông thôn;
- Hầm khí sinh học tiết kiệm được cho một gia đình tới ba giờ mỗi ngày, chủ yếu là nhờ giảm thời gian dùng để kiếm củi, đun nấu và dọn dẹp lau chùi; - Thời gian tiết kiệm được có thể sử dụng để tạo thu nhập hoặc chăm sóc gia đình.
Nâng cao sức khoẻ:
- Việc tiếp xúc với khói khi đun nấu trong nhà là một vấn đề đối với người dân vùng nông thôn. Không khí ô nhiễm trong nhà là một trong những nguyên nhân chính gây viêm nhiễm đường hô hấp cho phụ nữ và trẻ em
- Khí sinh học cải thiện đáng kể điều kiện vệ sinh của nông trại và môi trường xung quanh, vì phân bón (và phân người) được chuyển thẳng tới hầm khí mà không bị phơi thải ra ngoài trời.
Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp của phân, nước tiểu, nước rửa chuồng và tắm heo, thức ăn rơi vãi… có hàm lượng ô nhiễm cao, nhất thiết phải được xử lý trước khi thải
ra môi trường. Việc xử lý nước thải chăn nuôi nhằm loại bớt hàm lượng chất rắn và khoáng hóa chất hữu cơ có trong nước thải.
Bảng 9: Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
Phương pháp Quá trình
Cơ học Tách bớt các hạt rắn ra khỏi nước thải
Hóa lý Sử dụng các hóa chất keo tụ để tăng tính lắng của các hạt rắn trong nước thải
Hóa học Diệt trùng bằng chất hóa học hoặc oxi hóa các chất độc hại có trong nước thải bằng chất hóa học
Sinh học Khoáng hóa các chất hữu cơ có trong nước thải với sự tham gia của vi sinh vật
Quá trình xử lý cơ học : nhằm loại bớt một phần cặn ra khỏi nước thải, tạo điều kiện cho quá trình xử lý cơ học, hóa lý, sinh học được thực hiện tốt hơn.
Quá trình xử lý hóa lý : sử dụng các chất keo tụ như clorua sắt, polyme hữu cơ….nhằm tăng tính lắng của các hạt rắn có trong thành phần nước thải, giảm lượng chất hữu cơ có trong nước thải, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học và sinh học sau đó.
Quá trình xử lý hóa học : rất ít được sử dụng trong nước thải chăn nuôi. Trường hợp thường gặp nhất là diệt trùng nước thải sau khi xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Phương pháp diệt trùng nước thải (và nước cấp) thường gặp nhất là clo hóa. Ngoài ra có thể diệt trùng bằng O3 hoặc sử dụng tia cực tím. Trong phương pháp clo hóa tác nhân thường dùng là Cl2 và các hợp chất chứa Clo như: HClO, ClO2.
Xử lý sinh học : là quá trình được sử dụng rộng rãi và hiệu quả nhất để xử lý nước thải chăn nuôi. Quá trình xử lý sinh học có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí.
Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên: sử dụng cánh đồng lọc, cánh đồng tưới và hồ sinh vật.
Thực chất của quá trình xử lý nước thải trên cánh đồng tưới hay cánh đồng lọc là: khi nước thải lọc qua đất, các chất lơ lửng và chất keo bị giữ lại tạo thành các màng vi sinh vật bao bọc hạt đất, màng vi sinh vật hấp thụ các chất hữu cơ, sử dụng O2 của không khí trên mặt đất và qua lớp đất trên mặt (0,2-0,3m) oxy hóa các chất hữu cơ và nitrat hóa. Sự phân bố nước thải đều khắp trên cánh đồng tưới, tải lượng hợp lý nước thải được xử lý trên cánh đồng quyết định hiệu quả xử lý của phương pháp này.
Hồ sinh vật: Có tác dụng ổn định nước thải với yêu cầu phải có lượng oxy bổ sung.
Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy biến đổi các chất hữu cơ thành CO2, H2O và tạo tế bào vi khuẩn mới. Lượng oxy mới bổ sung trong hồ sinh vật tự nhiên là do khuyếch tán qua mặt thoáng của hồ và do các loại tảo quang hợp đem lại.
Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo : Sử dụng bể lọc sinh học, bể bùn hoạt tính, mương oxy hóa.
Bể lọc sinh học: Hoạt động như một bể lọc, có thể làm sạch nước thải hữu cơ nhờ sự hoạt động của các sinh vật hiếm khí. Các vi sinh vật này hình thành trên bề mặt của vật liệu đệm, tạo thành lớp màng sinh vật bám dính trên bề mặt vật liệu đệm. Để một bể lọc sinh học hoạt động tốt, hiệu quả cao, nhất thiết phải phân bố đều nước thải trên bề lọc, thông gió cung cấp oxy đầy đủ cho các vi sinh vật hoạt động, tải lượng và tốc độ thích hợp.
Bể bùn hoạt tính (aerotank): Bùn họat tính là tập hợp các vi sinh vật hiếu khí tự hình thành khi thổi không khí vào nước thải. Việc sục khí nén hoặc khuấy trộn có tác dụng xáo trộn tốt, đồng thời cung cấp oxy cho vi sinh vật hoạt động, tăng hiệu quả xử lý của bể.
Mương oxy hóa: Việc làm thoáng (bổ sung oxy) và khuấy trộn được thực hiện bằng
cách cho nước thải chảy dọc theo mương. Đến cuối chiều dài mương, hầu hết lượng chất tiêu thụ hữu cơ có trong nước thải đã được các vi sinh vật hiếu khí thoáng hóa Điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí:
o Nhiệt độ tối ưu
o Cung cấp oxy đầy đủ và xáo trộn đều
o Tải lượng chất hữu cơ và tỷ lệ C/N thích hợp
Trong điều kiện kỵ khí: các vi sinh vât kỵ khí hoạt động làm lên men các chất hữu
cơ có trong nước thải, biến đổi thành các sản phẩm khí như CH4, CO2, H 2, H2S, NH3 . Quátrình lên men kỵ khí xảy ra dưới tác dụng của rất nhiều loài vi khuẩn, trải qua hai giai đọan
1) Giai đoạn lên men axít: Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ bị phân hủy thành các sản phẩm đơn giản
Protid peptid và các acid amin Chất béoglycerine và acid béo Hydratcarbonđường đơn giản
Sau đó, các chất trên được chuyển hóa thành các sản phẩm đơn giản hơn, chủ yếu là các acid hữu cơ (chiến đến 99%), gồm acid butyric, acid propionic, acid acetic, … các chất hữu cơ khác như aldehyd, alcol và các chất vô cơ như NH3, H2S, CO2, H2, pH của nước thải trong giai đọan 1 thấp hơn 7, do đó giai đoạn này gọi là giai đoạn lên men acid.
2) Giai đoạn lên men kiềm: các sản phẩm của giai đoạn 1 tiếp tục được chuyển hóa thành CH4, CO2, H2 với sự tham gia của các vi khuẩn mêtan như Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina.
Do các acid hữu cơ được biến đổi thành các sản phẩm khí như CH4, CO2, H2 , pH của nước thải cuối cùng đạt khoảng 6,7-7,4.
Điều kiện tối ưu cho quá trình lên men o Nhiệt độ tối ưu o Xáo trộn đều
o Liều lượng chất hữu cơ cho vào và tỷ lệ C/N thích hợp
Hiệu quả của quá trình lên men được đặc trưng bởi hai yếu tố chính là chất lượng nước thải trước và sau khi xử lý và lượng khí đốt tạo ra từ 1g chất hữu cơ được xử lý Tùy theo kiểu phát triển của vi sinh vật kỵ khí trong công trình xử lý có thể chia ra 3 dạng:
Kiểu vi sinh vật phát triển ở trạng thái lơ lửng
Bể phân hủy kỵ khí đơn giản (bể tự hoại): là loại thiết bị xử lý nước thải đơn giản nhất. Các vi sinh vật sinh trưởng và phát triển bên trong bể, phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải, đồng thời sử dụng chất hữu cơ để sản xuất tế bào mới. Trong thiết bị có khuấy trộn, sự xáo trộn sẽ làm phân bố đều các vi sinh vật có trong bể, tăng hiệu quả xử lý của bể. Dòng nước thải chỉ vào bể một lần, không tái sử dụng sinh khối vi sinh vật trong dòng ra, vừa lãng phí vừa làm giảm chất lượng (độ sạch) dòng ra.
Bể phân hủy kỵ khí tiếp xúc: Để khắc phục nhược điểm của bể phân hủy kỵ khí
đơn giản, người ta sử dụng thêm một bể lắng để tách sinh khối vi sinh vật và cặn hữu cơ chưa phân hủy, đưa trở lại vào bể phân hủy, chỉ cho nước thải đã xử lý ra. Sự hồi lưu này vừa tận dụng triệt để sinh khối vi sinh vật vừa làm nâng cao chất lượng dòng ra.
Kiểu hỗn hợp
UASB: dòng nước thải vào chảy ngược dòng từ dưới lên trên, tạo sự khuấy trộn trong bể xử lý, tăng mức độ xử lý. Nước thải đã xử lý thoát ra máng tràn dọc theo thành bể và theo ống dẫn ra ngoài.
Hồ sinh vật kỵ khí: trong điều kiện kỵ khí, các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật kỵ khí. Điểm khác biệt của hồ sinh vật kỵ khí và bể phân hủy đơn giản là kích thước hồ lớn hơn, do đó tốc độ dòng chảy chậm.
Bể 2 vỏ: do dòng chảy ngược có thể làm xáo trộn quá nhiều nước thải có trong bể,
làm ảnh hưởng đến độ sạch của dòng ra, bể 2 vỏ được thiết kế thêm một ngăn lắng bên trên, làm cho các hạt chất hữu cơ chưa phân hủy và sinh khối vi sinh vật lắng lại,
nâng cao chất lượng dòng nước thải ra. Kiểu vi sinh vật phát triển trên giá thể
Tầng sôi: có cấu tạo tương tự bể lọc sinh học kỵ khí nhưng các giá thể là loại vật liệu nhẹ, nên có thể chuyển động lơ lửng khi có dòng nước thải chảy ngược dòng từ dưới lên trên, tạo thành tầng sôi.
Tầng tĩnh (bể lọc sinh kỵ khí): có cấu tạo tương tự như bể lọc sinh học hiếu khí. Tuy nhiên, trong bể lọc sinh học kỵ khí, nước thải có thể được cho chảy ngược dòng hoặc xuôi dòng, đồng thời thiết bị được làm kín và không có sự bổ sung oxy, tạo điều kiện kỵ khí cho vi sinh vật kỵ khí phát triển.
Bảng10 : Sản phẩm cuối của các quá trình xử lý hiếu khí và kỵ khí
Quá trình xử lý hiếu khí Nguyên tố Quá trình xử lý kỵ khí CO32- CO2↑ C CH4↑ và CO2↑ NO3- NO2- NH3↑ N NH3↑
SO42- S H2S↑
H2O H Hợp chất hữu cơ hay NH3↑ PO43- P
Sau quá trình xử lý sinh học, trong một số trường hợp, nước thải chăn nuôi còn phải được xử lý hóa học để khử trùng, tiêu diệt các mầm bệnh rồi mới cho thải ra môi trường.
3.4.2.2 Chương trình sản xuất và sử dụng phân bón trong sản xuất
Tính cần thiết: chúng ta hiểu đúng về giá trị thực của phân bón. Phân bón là chất xúc tác làm tăng năng suất cây trồng. Chất xúc tác này càng tốt thì năng suất cây trồng càng tăng. Nhưng phải lưu ý rằng: năng suất chỉ tăng có giới hạn, có thêm chất xúc tác (phân bón) thì năng suất cũng không tăng, thậm chí phản tác dụng, làm chai đất, cây trồng bị “ngộ độc”, năng suất giảm, thậm chí có thể bị chết. Vấn đề kế tiếp: chất xúc tác đó là gì? Hữu cơ, vô cơ, vi lượng hay vi sinh? Nhiều chương trình nông nghiệp bền vững tại nhiều nước đã chứng minh rằng: phải hỗn hợp. Trong nền nông
nghiệp sinh thái bền vững, phân bón không chỉ làm chức năng thúc đẩy quá trình sinh trưởng cây trồng mà còn phải thực hiện chức năng khôi phục tài nguyên đất. Phân vô cơ không thực hiện được chức năng này, mà từng loại phân lại không đủ chất, không đủ dinh dưỡng, kể cả các yếu tố vi lượng, để tái tạo tạo đất. Vấn đề còn lại là phối hợp như thế nào và sử dụng ra sao. Trong nông nghiệp sinh thái bền vững, người ta không chỉ dùng phân hữu cơ vi sinh để sản xuất sản phẩm sạch mà có sự kết hợp với các loại phân hóa học khác. Chỉ có sự phối hợp mới giải quyết được bài toán đề năng suất. Tuy nhiên việc phối hợp cần phải tuân theo một số quy trình chuẩn mực để đảm bảo yếu tố cân bằng sinh thái và bảo vệ môi sinh.
Sản xuất phân bón: trong các chương trình nông nghiệp sinh thái bền vững, phân hữu cơ và phân vi sinh đóng vai trò hết sức quan trọng. Chính vì vậy chúng tôi đặc biệt quan tâm tới khả năng tự sản xuất phân bón trong mô hình (ở đây là phân vi sinh và hữu cơ). Mỗi mô hình cần có quy trình sản xuất phân có năng suất riêng sao cho đáp ứng được các yêu cầu của chính mô hình đó. Khả năng tự sản xuất phân bón giúp nhà đầu tư tiết kiệm một khoản đầu tư rất lớn, giúp nâng cao tỷ suất lợi nhuận trên vốn đầu tư. Nhưng cần lưu ý rằng: phải có nguyên liệu thì mới sản xuất được phân hữu cơ và phân vi sinh. Mà nguyên liệu chủ yếu có được từ các chương trình chăn nuôi. Do đó nhà đầu tư phải tính toán các chương trình chăn nuôi với quy mô