VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ PHẾ THẢI CHĂN NUÔI CÔNG NGHỆ KHÍ BIOGAS

Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas

Bài tiêu luận:
VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ PHẾ THẢI
CHĂN NUÔI
CÔNG NGHỆ KHÍ BIOGAS

1
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas
Chương I : ĐẶT VẤN ĐỀ
Những năm gần đây, phong trào chăn nuôi phát triển rộng khắp các tỉnh thành
trong cả nước, nhiều gia đình đầu tư với qui mô lớn để chăn nuôi lợn, trâu bò và gia
cầm. Cho nên trong những năm qua, nhà nước đã đưa ra nhiều chủ trương chính
sách hỗ trợ, đầu tư nhằm đẩy mạnh phát triển chăn nuôi, coi đây là mũi nhọn, là
khâu đột phá nhằm đưa chăn nuôi trở thành nghành sản xuất chính theo hướng sản
xuất hàng hoá và bền vững. Vì vậy mà số lượng, chất lượng cũng như hiệu quả
kinh tế của đàn vật nuôi đã có những cải thiện đáng kể. Nhưng đồng hành cùng sự
phát triển đó cũng đặt ra cho Ngành những thách thức rất lớn đòi hỏi các nhà quản
lí, chuyên môn phải đưa những giải pháp, mục tiêu phù hợp và xây dựng các
chương trình hành động cụ thể thì mới thật sự giúp cho chăn nuôi phát triển bền
vững được.
Theo số liệu của Cục Chăn nuôi, hiện cả nước có khoảng 220 triệu con gia cầm,
8,5 triệu con bò, 27 triệu con heo. Mỗi năm, ngành chăn nuôi thải ra môi trường
trên 73 triệu tấn chất thải rắn và 30 triệu khối chất thải lỏng, trong đó có khoảng
50% chất thải rắn và 80% chất thải lỏng được xả thẳng ra tự nhiên hoặc không
thông qua xử lý, từ đó đã gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do vậy, khắc
phục vấn để ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi nói chung và nuôi heo nói riêng,
các nhà chuyên môn đã chú trọng đến vấn đề xử lý phân và chất thải. Trong đó, giải
pháp xây dựng hầm biogas được xem là thiết thực và hiệu quả để phát triển chăn
nuôi bền vững.
Trong thực tế, các bể Biogas đã có mặt tại Việt Nam từ năm 1960 và nhất là sau

năm 1975 đã được nhiều cơ quan nghiên cứu, triển khai. Tuy nhiên phải đến năm
2002 với sự hỗ trợ kinh phí từ phía Chính phủ Hà Lan việc triển khai mới được
thực hiện với tốc độ nhanh chóng, từ năm 2003 đến cuối năm 2007 đã xây dựng và
đưa vào sử dụng được 27000 bể tại 24 tỉnh, thành phố. Việc ứng dụng và phát triển
chương trình khí sinh học trong chăn nuôi là rất cần thiết, có một ý nghĩa kinh tế -
xã hội và môi trường rất lớn, không những giúp cho nông dân xử lí được nguồn
chất thải trong chăn nuôi, nông nghiệp, hộ gia đình để tạo ra nguồn năng lượng
sạch và rẻ tiền phục vụ cho sinh hoạt hằng ngày, góp phần bảo vệ sức khoẻ, giảm
sức lao động cho phụ nữ và trẻ em. Đồng thời, giúp hạn chế nạn phá rừng và giảm
lượng phát thải khí nhà kính. Ngoài ra, còn tận dụng được phụ phẩm biogas chuyển
thành các loại phân hữu cơ vừa có chất lượng cao vừa an toàn (không có mầm
bệnh), lại không có mùi hôi thối, giàu dinh dưỡng cây trồng dễ hấp thu, dễ chuyển
thành chất mùn làm cải thiện chất đất, hạn chế sử dụng phân bón hoá học, giảm chi
phí trong sản xuất, giúp nâng cao năng suất chất lượng cây trồng, tăng hiệu quả
kinh tế và thu nhập cho hộ gia đình.

Chương II : CÔNG NGHỆ KHÍ BIOGAS
2
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas
I. Nguyên liệu:
Là các phế liệu trong sản xuất nông, lâm nghiệp, và các hoạt động sống sản xuất
và chế biến nông lâm sản. Hoặc phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện
nay trong các hầm biogas của nước ta.
Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc, gia cầm
Vật nuôi
Khả năng cho phân
hằng ngày của 500kg
Vật nuôi
Thành phần hoá học
(% khối lượng phân tươi)

Thể tích
(m
3
)
Trọng
lượng
tươi (kg)
Chất tan
dễ tiêu
Nitơ Photpho Tỷ lệ C/N
Bò sữa
Bò thịt
Lợn
Trâu
Gia cầm
0,038
0,038
0,028
------
0,028
38,5
41,7
28,4
6,78
31,3
7,98
9,33
7,02
10,2
16,8

0,38
0,70
0,83
0,31
1,20
0,10
0,20
0,47
------
1.20
20-25
20-25
20-25
-----
7-15

*Xử lí nguyên liệu:
Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất phong phú, đa dạng và trước
khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ, xủ lí sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng:
Giàu cellulose, ít ligin, NH
4
+
ban đầu khoảng 2000mg/l, tỉ lệ cacbon/nitơ: 20/30,
nguyên liệu phải được hoà tan trong nước…
Ảnh hưởng của các loại phân đến sản phẩm và thành phần của khí thu được:
Nguyên liệu Sản lượng khí m
3
/kg
phân khô
Hàm lượng

CH
4
(%)
Thời gian lên men
(ngày)
Phân bò
Phân gia cầm
Phân gà
Phân heo
Phân người
1,11
0,56
0,31
1,02
0,38
57
69
60
68
-----
10
9
30
20
21
Pha chế nguyên liệu và hỗn hợp khí sau khi lên men ở 21
o
C.
3
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas

Nguyên liệu Sản lượng khí m
3
/kg
nguyên liệu
Thành phần sau 21 ngày (%)
24 ngày 80 ngày CH
4
H
2
CO
2
Phân bò
Phân bò + 0,4% bã mía
Phân bò + 1% tro bếp
Phân bò + 1% cellulose
Phân bò + 0,4% bã mía
+ 1% ure
Phân bò + 1% lá tạp
(1,7N)
0,063
0,071
0,061
0,084
0.081
0,081
0,21
0,21
0,19
0,21
0,26

0,22
60,0
57,6
60,4
52,8
68,0
68,0
1,1
2,1
2,9
-----
-----
-----
34,4
38,4
34,4
44,0
30,6
-----
II. Khái niệm :
Biogas hay khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân huỷ những hợp
chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí (còn gọi là kỵ
khí). Thành phần chính của Biogas la CH
4
(50-60%) và CO
2
(30-40%), còn lại là
các chất khác như : hơi nước, N
2
, O

2
, H
2
S, CO...được thuỷ phân trong môi trường
yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40
o
C.
III: Các vi sinh vật trong bể Biogas:
Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tuỳ thuộc loại phân bón sử
dụng, và điều kiện nhiệt độ. Có hai nhóm vi khuẩn tham gia trong bể Biogas là:
Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí methane.
*Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:
Những vi khuẩn này đều có enzyme cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác
nhau, hầu hết là các trực trùng, có bào tử (spore). Theo A.R.Prevot, chúng có mặt
trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus.
Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO
2
, H
2
và một số chất tan
trong nước như: Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine. Các chất này đều
dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí methane.
Hình ảnh vi khuẩn trong họ Clostridium.

Hình ảnh vi khuẩn Bacillus cereus
4
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas

Vi khuẩn và sản phẩm tạo ra:
Vi khuẩn Sản phẩm acid tạo được

Clostridium carnefectium
Clostridium cellobinharus
Clostridium dissolves
Clostridium thermocellaseum
Bacillus cereus
Bacillus knolkampi
Bacillus megaterium
Bacterodies succigenes
Pseudomonas
Ruminococcus sp
A.formic, A.acetic
A.lactic, Etanol, CO
2
A.formic, A.acetic
A.lactic, A.sucinic, Etanol
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.lactic
A.acetic, A.sucinic
A.formic, A.acetic, A.lactic, A.sucinic, Etanol
A.formic, A.acetic, A.sucinic
*Nhóm vi khuẩn sinh khí methane:
Nhóm này rất chuyên biệt và được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi W.E.Balch và cộng
tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài
(Genus). Các vi khuẩn này đều có hai coenzyme đặc thù là: Coenzyme M
(2.mercaptoethan – sulfonic - acid) và coenzyme F
420
(Một loại flavin
mononucleotide). Hai coenzyme này đều là reductase, nghĩa là chúng tải electron từ
những chất cho electron đến một chất khác để khử hoà chất đó.

Mỗi loài vi khuẩn sinh khí methane chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định, do
đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn sinh khí methane.
Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để.
Điều kiện cho các vi khuẩn sinh khí methane phát triển mạnh là phải có lượng
CO
2
đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5mg/g bùn lắng), tỉ lệ
C/N=1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonat amon, clorua amon.
Trong quá trình lên men kỵ khí các loài vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt không
phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có
mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi khí , tác động canh tranh dinh
dưỡng,…Mức độ tiêu diệt của các vi sinh vật trong quá trình kỵ khí từ 80-100%.
(đối với Myobacterium, thời gian lưu trong bể Biogas là từ 6-20 ngày).
5
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas
Vi khuẩn và sản phẩm:
Vi khuẩn Sản phẩm cơ chất
Methanobacterium omelianskii
Methanopropionicum
Methanoformicum
Methanosochngenii
Methanosuboxydans
Methanosarcina barkerni
Methanococcusvanirielli
Methanorumin anticum
Methanococcusmazei
Methanosarcinamethanica
CO
2
, H

2
, rượu bậc I, rượu bậc II
A.propionic
H
2
,CO
2
, A.formic
A.acetic
A.butyric, A.valeric, A.capropionic
CO
2
, H
2
, A.acetic, Metanol
H
2
, A.formic
H
2
, A.formic
A.acetic, A.butyric
A.acetic, Abutyric
III. Quá trình tạo khí sinh học trong bể Biogas:
Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều
phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH
4
, CO
2
và một số chất khác. Quá trình được thực

hiện theo nguyên tắc phân huỷ kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã
phân huỷ từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một
lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hoà tan. Sự phân huỷ kỵ khí diễn ra
qua nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với sự tham gia của các
chủng loại vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân huỷ protein, tinh bột, lipid để tạo
thành acid amin, glycerin, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin, cùng các chất
độc hại như: Tomain (Độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như: Indol, Scatol. Và
cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó không phân huỷ được dễ dàng bởi vi khuẩn
yếm khí như: lignin, cellulose.
Qúa trình tạo khí sinh học có thể diễn ra theo con đường, mỗi con đường gồm
hai giai đoạn:
*Con đường thứ nhất:
Giai đoạn 1:
- Sự acid hoá cellulose:
(C
6
H
10
O
5
)n + nH
2
O → 3nCH
3
COOH
- Sự tạo muối:
Các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là NH
4
OH) sẽ kết hợp với acid
bazơ.

CH
3
COOH + NH
4
OH → CH
3
COONH
4
+ H
2
O
Giai đoạn 2:
- Lên men methane do sự thuỷ phân của muối hữu cơ.
CH
3
COONH
4
+ H
2
O ↔ CH
4
+ CO
2
+ NH
4
OH
*Con đường thứ hai:
Giai đoạn 1:
6
Ứng dụng của vi sinh vât - Biogas

- Sự acid hoá:
(C
6
H
10
O
5
)n + nH
2
O → 3nCH
3
COOH
- Thuỷ phân acid tạo CO
2
và H
2
:
CH
3
COOH + 2H
2
O → 2CO
2
+ 4H
2
Giai đoạn 2:
- Methane được tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO
2
và H
2

.
CO
2
+ 4H
2
→ CH
4
+ 2H
2
O
Giai đoạn một, có sự tham gia của nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose, các vi
khuẩn này đều có enzyme cellulosase. Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ cao
phân tử được vi sinh vật chuyển thành các chất có trọng lượng thấp hơn acid hữu
cơ, đường, glycerin…(gọi chung là hydratcacbon).
Giai đoạn hai là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn sinh khí methane,
để chuyển hầu như các chất hydratcacbon thành CH
4
và CO
2
. Đầu tiên là sự tạo
thành các acid hữu cơ nên PH giảm xuống rõ rệt. Các acid hữu cơ và hợp chất chứa
nitơ tiếp tục phân huỷ tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO
2
,
N
2
, H
2
, CH
4

. Các vi khuẩn sinh khí methane phát triển rất mạnh và chuyển hoá rất
nhanh để tạo thành CO
2
và CH
4
.
Vi sinh vật sinh methane theo nhiều cơ chế khác nhau như sau:
8H
2
+ 2HCO
3
-
+ 2H
+
↔ 2CH
4
+ 6H
2
O
CH
3
CH
2
OH + CO
2
↔ CH
3
COO
-
+ H

+
+ CH
4
CH
3
CHOHCOO
-
+ H
2
O → 2CH
3
COO
-
+ CH
4
+ HCO
3
-

4CH
3
CH
2
OH + 3H
2
O ↔ 4CH
3
COO
-
+ H

+
+ 3CH
4
+ HCO
3
-

CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
+ 2H
2
O + HCO
3
-
↔ 4CH
3
COO
-
+ H
+
+ CH
4

CH

3
COO
-
+ H
2
O → CH
4
+ HCO
3
-

4HCOOH + H
2
O → CH
4
+ 3HCO
3
-
+ 3H
+
Methanol:
4CH
3
OH → 3CH
4
+ HCO
3
-
+ H
2

O + H
+

Methylamine thuỷ phân tạo methane:
4CH
3
NH
3
+
+ 3H
2
O → 3CH
4
+ HCO
3
-
+ 4NH
4
+
+ H
+
2(CH
3
)
2
NH
2
+
+ 3H
2

O → 3CH
4
+ HCO
3
-
+ 2NH
4
+
+ H
+
4(CH
3
)
3
NH
+
+ 9H
2
O → 9CH
4
+ 3HCO
3
-
+ 6NH
4
+
+ H
+
.
Như vậy, biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của

enzyme cellulosase và nhóm vi khuẩn sinh khí methane, trong đó vai trò của
enzyme cellulosase là phân huỷ các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp
hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn sinh khí methane tac dụng với nhau tạo thành
khí methane có khả năng đốt cháy sinh năng lượng.
7