Ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản sinh khí sinh học (biogas) của phân lợn và chất lượng nước thải sau biogas

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------------------

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG CHẤT PHỤ GIA TỰ NHIÊN
ĐẾN KHẢ NĂNG SẢN SINH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)
CỦA PHÂN LỢN VÀ CHẤT LƯỢNG
NƯỚC THẢI SAU BIOGAS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

THÁI NGUYÊN - 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------------------

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG CỦA BỔ SUNG CHẤT PHỤ GIA TỰ NHIÊN
ĐẾN KHẢ NĂNG SẢN SINH KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)
CỦA PHÂN LỢN VÀ CHẤT LƯỢNG
NƯỚC THẢI SAU BIOGAS
Chuyên ngành: Chăn nuôi
Mã số: 60.62.01.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Trần Thanh Vân
TS. Phạm Hùng Cường

THÁI NGUYÊN - 2015


Luận văn được hoàn thành với sự trợ giúp kinh phí của:
1. Đề tài cấp Nhà nước:
“Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp khoa học công nghệ trong chăn nuôi
lợn công nghiệp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường”
Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014
Chủ trì đề tài: PGS.TS. Vũ Chí Cương
Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi
2. Dự án Hợp tác quốc tế với Đan Mạch:
Tối ưu hóa sản xuất khí sinh học thân thiện với môi trường từ phân gia súc
nhằm giảm thiểu khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính - SUSANE II
Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014
Giám đốc dự án: PGS.TS. Vũ Chí Cương
Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các tài liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực, nguồn gốc rõ ràng và chưa có ai từng công bố trong bất
kỳ công trình nào./.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Mai Phương


ii

LỜI CÁM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: PGS.TS. Trần Thanh Vân,
người thầy hướng dẫn khoa học đã hết sức quan tâm và tận tình hướng dẫn em để có
thể hoàn thành luận văn này;
Em xin chân thành cám ơn tới TS. Phạm Hùng Cường đã tận tình hướng dẫn
em trong suốt quá trình làm đề tài và cán bộ, nhân viên của Viện Chăn Nuôi Quốc Gia,
đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại Viện;
Tôi cũng xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ, nghiên cứu viên và kỹ thuật
viên của Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi
- Viện Chăn nuôi, đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài;
Em xin trân trọng cám ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, các
thầy giáo, cô giáo Khoa Chăn nuôi thú y, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học Trường
Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.
Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới lãnh đạo, bạn bè và đồng nghiệp
đang công tác tại Viện Chăn nuôi Quốc gia; Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; nơi tôi
đang làm việc, đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm
việc, học tập và nghiên cứu khoa học tại cơ quan;
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình của tôi luôn bên cạnh động

viên và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học./.
Trân trọng cám ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Mai Phương


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................... ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................................v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................3
1.1. Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới và Việt Nam ..................................................3
1.1.1. Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới ....................................................................3
1.1.2. Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam .....................................................................3
1.2. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn.......................................................................5
1.3. Hiện trạng và dự báo về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam....................6
1.4. Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn ....................................................9
1.4.1. Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun ........................................................................9

1.4.2. Xử lý chất thải bằng dung dịch vi sinh vật hữu ích ...............................................9
1.4.3. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ phân hữu cơ ........................................10
1.4.4. Xử lý chất thải bằng hệ thống hầm biogas ..........................................................10
1.5. Sử dụng công nghệ khí sinh học để quản lý chất thải chăn nuôi lợn .....................10
1.5.1. Khái quát về công nghệ khí sinh học ..................................................................10
1.5.2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ

sản xuất biogas ...............................................11

1.5.3. Những yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình sinh khí methane ..........................12
1.5.4. Các công nghệ biogas phát triển ở Việt Nam ......................................................12
1.5.5. Một số biện pháp nâng cao khả năng xử lý bằng biogas .....................................14
1.5.6. Đặc điểm và mục đích sử dụng chất thải sau biogas ...........................................15
1.6. Cơ sở khoa học của việc bổ sung một số chất phụ gia tự nhiên .............................17
1.6.1. Dịch dạ cỏ ............................................................................................................17
1.6.2. Bùn ao tù ..............................................................................................................18
1.6.3. Nước thải sau biogas ...........................................................................................19
1.7. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước ...................................................19
1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước........................................................................19
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................20


Luận văn được hoàn thành với sự trợ giúp kinh phí của:
1. Đề tài cấp Nhà nước:
“Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp khoa học công nghệ trong chăn nuôi
lợn công nghiệp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường”
Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014
Chủ trì đề tài: PGS.TS. Vũ Chí Cương
Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi
2. Dự án Hợp tác quốc tế với Đan Mạch:

Tối ưu hóa sản xuất khí sinh học thân thiện với môi trường từ phân gia súc
nhằm giảm thiểu khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính - SUSANE II
Thời gian thực hiện: từ năm 2011 đến năm 2014
Giám đốc dự án: PGS.TS. Vũ Chí Cương
Cơ quan chủ trì: Viện Chăn nuôi


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TS (Total Solid)

Tổng hàm lượng chất rắn

COD (Chemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa học

BOD (Biological Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy sinh học

VS (Volatile Solid)

Chất rắn dễ bay hơi

SS (Suspended Solid)

Chất rắn lơ lửng

vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Số lượng lợn được nuôi trên thế giới .............................................................. 3
Bảng 1.2. Số lượng lợn được nuôi tại các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á .......... 4
Bảng 1.3. Lượng dinh dưỡng có trong 1m3 chất thải* ................................................... 5
Bảng 1.4. Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn.................................................................... 6
Bảng 1.5. Một số thành phần trong chất thải sau biogas của một số loại phân............. 16
Bảng 1.6. Một số thành phần của dịch dạ cỏ của cừu ăn khẩu phần khác nhau ........... 17
Bảng 2.1. Tỷ lệ phối trộn phân, nước tiểu, phụ gia và nước của các công thức ........... 24
Bảng 3.1. Khả năng sinh khí biogas trong điều kiện mùa hè ........................................ 28
Bảng 3.2. Khả năng sinh khí biogas trong điều kiện mùa đông .................................... 29
Bảng 3.3. Khả năng sinh khí methane trong điều kiện mùa hè ..................................... 30
Bảng 3.4. Khả năng sinh khí methane trong điều kiện mùa đông ................................. 31
Bảng 3.5. Nhiệt độ nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè ................................ 32
Bảng 3.6. Nhiệt độ nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông ............................ 32
Bảng 3.7. pH nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè ......................................... 33
Bảng 3.8. pH nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông ..................................... 34
Bảng 3.9. Vật chất khô nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè .......................... 34
Bảng 3.10. Vật chất khô nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông.................... 35
Bảng 3.11. Chất rắn dễ bay hơi nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (lít/kg) ........ 35
Bảng 3.12. Chất rắn dễ bay hơi nước thải trước biogas và sau biogas mùa
đông (lít/kg) ............................................................................................. 36
Bảng 3.13. Oxy hóa học nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) ............. 36
Bảng 3.14. Oxy hóa học nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l)......... 37
Bảng 3.15. Oxy sinh học nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) ............ 38
Bảng 3.16. Oxy sinh học nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) ........ 38
Bảng 3.17. Nitơ nước thả i trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) ...................... 39

Bảng 3.18. Nitơ nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) ...................... 39
Bảng 3.19. Phospho nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (mg/l) ................... 40
Bảng 3.20. Phospho nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (mg/l) ............... 40
Bảng 3.21. Coliform nước thải trước biogas và sau biogas mùa hè (1000 cfu/ml) ...... 41
Bảng 3.22. Coliform nước thải trước biogas và sau biogas mùa đông (1000 cfu/ml) .. 41
Bảng 3.23. Kết quả phân tích chất rắn dễ bay hơi (%) của nước thải sau biogas ......... 42
Bảng 3.24. Khả năng sinh khí biogas và methane mùa đông ........................................ 43
Bảng 3.25. Khả năng sinh khí biogas và methane mùa hè ............................................ 44


vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Diễn biến số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam từ năm 2009 đến 2013.........4
Hình 1.2. Lượng CO2 phát thải từ sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam năm 2011 và dự
báo đến năm 2030 [30] .....................................................................................7
Hình 1.3. Phát thải khí CO2 từ khâu quản lý chất thải của một số động vật nuôi tại Việt
Nam năm 2012 [30]..........................................................................................8
Hình 1.4. Phát thải khí CO2 từ quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam trong giai
đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 và 2050 [30] .......................8
Hình 1.5. Sơ đồ quá trình lên men tạo khí methane ......................................................11
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 1 ..................................................................23
Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu cho nội dung 2 ..................................................................24
Hình 3.1. Đồ thị tích lũy biogas mùa đông (ml)............................................................43
Hình 3.2. Đồ thị tích lũy biogas mùa đông (ml/g VS) ..................................................43
Hình 3.3. Đồ thị tích lũy CH4 mùa đông (ml) ...............................................................44
Hình 3.4. Đồ thị tích lũy CH4 mùa đông (ml/g VS) ......................................................44
Hình 3.5. Đồ thị tích lũy biogas mùa hè (ml) ................................................................45
Hình 3.6. Đồ thị tích lũy biogas mùa hè (ml/gVS)........................................................45

Hình 3.7. Đồ thị tích lũy CH4 mùa hè (ml) ...................................................................46
Hình 3.8. Đồ thị tích lũy CH4 mùa hè ..................................................................................46


1
MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Một trong những thách thức quan trọng nhất mà thế giới của chúng ta sẽ phải
đối mặt trong tương lai gần đó là nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng nhiều cho
sinh hoạt và hoạt động sản xuất. Điều đó đã gây ra sức ép rất lớn đến chất lượng môi
trường sống và đòi hỏi con người tìm ra những nguồn năng lượng có khả năng tái tạo
mang tính bền vững và thân thiện với môi trường. Một nguồn nguyên liệu sẵn có lại rẻ
tiền mà từ đó chúng ta có thể tạo ra năng lượng để đáp ứng cho nhu cầu trong tương lai
là xử lý yếm khí sinh khối (ví dụ như chất thải của gia súc) để tạo ra khí đốt sinh học.
Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học (biogas)
là một giải pháp chủ yếu để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn
chất đốt, tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả ở các vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng
công nghệ biogas cho các hộ gia đình nông dân là rất cao. Theo số liệu thống kê năm
2012 thì Việt Nam có trên 26,4 triệu con lợn và lượng phát thải từ phân lợn tính theo
khối lượng CO2 tương đương là hơn 3500 tấn (Food and Agricultual Organization of
the United Nations (2014) [30]). Vì thế việc quản lý chất thải từ chăn nuôi lợn cần có
một giải pháp tổng thể trong đó xây dựng hệ thống biogas là một giải pháp xử lý tốt
nhất và hiệu quả nhất. Tuy nhiên trong thực tế quá trình vận hành và sử dụng hệ thống
biogas đã gặp phải không ít khó khăn nên sau quá trình xử lý này một số thành phần
gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức rất cao (Vũ Thị Khánh Vân và cs., (2013)
[19]; Thien Thu và cs., (2012) [54]).
Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về giải pháp làm tăng khả năng xử lý chất
thải hữu cơ trong bể biogas được công bố, tiêu biểu như: xử lý nguyên liệu trước khi
nạp vào bể (Günther Bochmann (2013) [35]); tối ưu hóa quá trình xử lý (Shanmugam

và cs., (2009) [52]); bổ sung một số chất phụ gia (Yu Gu và cs., (2014) [60])... Cùng
với đó là những nghiên cứu sử dụng nước thải sau biogas để làm phân bón
(Alburquerque và cs., (2012) [21]); nuôi tảo tạo sinh khối (Mason Erkelens và cs.,
(2014) [43]); chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản (Marianna Garfí và cs., (2011) [41]).
Tuy vậy việc nghiên cứu bổ sung vi sinh vật sinh khí methane có nguồn gốc tự nhiên
vào bể biogas cũng như xác định tiềm năng sản sinh khí sinh học còn lại của chất thải
sau biogas vẫn chưa có tài liệu nào được công bố. Xuất phát từ đó, chúng tôi tiến hành


2
thực hiện đề tài: Ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản
sinh khí sinh học (biogas) của phân lợn và chất lượng nước thải sau biogas.
Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu ảnh hưởng của bổ sung chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản sinh
khí sinh học (biogas) của phân lợn.
- Nghiên cứu xác định tiềm năng sản sinh khí sinh học còn lại của chất thải sau
biogas (digestate) của phân lợn được bổ sung các chất phụ gia tự nhiên.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là một nghiên cứu có hệ thống hoàn chỉnh lần đầu tiên được triển khai ở
Việt Nam với mục tiêu tìm ra giải pháp khoa học và công nghệ phù hợp nhằm nâng
cao năng suất sinh khí biogas và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở các cơ sở chăn nuôi
lợn công nghiệp. Kết quả nghiên cứu là tài liệu khoa học có giá trị giúp cho công tác
nghiên cứu và giảng dạy sau này.
Kết quả đề tài góp phần thúc đẩy việc phát triển chăn nuôi sạch trong nước, có
sức cạnh tranh với các sản phẩm nước ngoài, giảm thiểu tác động đến môi trường.


3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới và Việt Nam
1.1.1. Tình hình chăn nuôi lợn trên thế giới
Cùng với đà tăng dân số trên toàn cầu nên nhu cầu thực phẩm cung cấp cho
cuộc sống hàng ngày của con người cũng tăng lên. Trong đó lợn là loài vật nuôi cung
cấp sản phẩm thịt chủ yếu, ngoài việc tăng năng suất thì số lượng lợn được nuôi cũng
không ngừng được tăng lên. Số lượng lợn được nuôi trên thế giới phân theo các khu
vực trong giai đoạn 5 năm trở lại đây, từ 2009 đến 2013, được trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Số lượng lợn được nuôi trên thế giới
Năm

Khu vực
2009
Thế giới
Châu Phi

2010

2011

2012

2013

940664638 973065753 967973596 969882338 977020798
29650523

31520900

32754822

34157129

35098077

Châu Mỹ

160707152 162936468 165761961 165864509 164464254

Châu Á

557657633 584092285 576533805 580601443 588225048

Châu Âu

187346928 189164194 187531206 183974633 184051948

Châu Đại
Dương

5302402

5351906

5391802

5284624

5181471

(Nguồn: Food and Agricultual Organization of the United Nations (2014) [30])

Tính đến năm 2013, số lượng lợn được nuôi trên thế giới đã đạt mức xấp xỉ 1
tỷ con. Châu Á là vùng có số lượng lợn được nuôi nhiều nhất sau đó đến Châu Âu,
Châu Mỹ, Châu Phi và Châu Đại Dương. Số lượng lợn tại Châu Á và Châu Phi
không ngừng tăng lên trong khi tại Châu Mỹ, Châu Âu có xu hướng ổn định thậm
chí số lượng lợn còn giảm đi ở Châu Đại Dương. Với tổng số trên 588 triệu con lợn,
Châu Á là vùng chiếm hơn một nửa số lượng lợn được nuôi trên toàn thế giới.
1.1.2. Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam
Chăn nuôi đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống sản xuất nông nghiệp
của Việt Nam, hàng năm đóng góp trên 25% tổng giá trị toàn ngành nông nghiệp.
Từ lâu nghề chăn nuôi lợn đã gắn bó với đời sống của người nông dân nước ta và tỷ


4
trọng giá trị của chăn nuôi lợn chiếm 78% của ngành chăn nuôi năm 2010. Thống
kê từ năm 2009 đến năm 2013, số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam có xu hướng
giảm xuống (hình 1.1). Nguyên nhân một phần do giá cả trên thị trường không có
lợi cho người chăn nuôi và dịch bệnh trên đàn lợn có diễn biến phức tạp.

Hình 1.1. Diễn biến số lượng lợn được nuôi tại Việt Nam từ năm 2009 đến 2013
Bảng 1.2. Số lượng lợn được nuôi tại các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á
Quốc gia
Brunei

2009

2010

2011

2012

2013

1250

1200

1150

1100

1225

Căm Pu Chia

2126304

2057431

2099332

2120000

2150000

Indonesia

6975000

7477000

7525000

7900000

8246000

Lào

2554000

2752000

2650000

2794000

2280000

Malaysia

1831308

1922321

1801247

1798686

1725000

Myanma

8496240

9416208

10497493

10500000

10530000

Philippine

13596400

13397800

12303100

11863021

11843051

Singapo

260000

270000

270000

272000

272000

Thái Lan

7480530

7623730

7785525

7800000

7850000

403218

330435

345635

350000

360000

27627700

27373300

27056000

26493922

26261400

Đông Ti Mo
Việt Nam

Nguồn: EUROPEAN COMMUNITIES9 (2010) [28]


5
Mặc dù số lượng lợn được nuôi đã giảm trong 5 năm trở lại đây nhưng Việt
Nam vẫn là quốc gia có đàn lợn nhiều nhất trong khu vực Đông Nam Á (bảng 1.2).
Năm 2013, nước ta có số lượng lợn chiếm gần 1/3 so với tổng số lợn của khu vực.
Đây vừa là một lợi thế tiềm năng cung cấp sản phẩm từ lợn cho các quốc gia xung
quanh nhưng đồng thời cũng tạo ra sức ép to lớn đối với môi trường sinh thái trong
việc đảm bảo phát triển chăn nuôi lợn bền vững.
1.2. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn
Theo ước tính của Ủy ban Châu Âu (European Communities (2010) [28]),
một lợn nái và các thế hệ con của chúng sẽ thải ra 87 kg N/năm; trong 1m3 phân lợn
có chứa 4,2 kg N tổng số, 0,8 kg phospho tổng số và 2,2 kg kali tổng số (Bảng 1.3).
Vì thế, trong một năm mỗi lợn nái và thế hệ con của chúng sẽ thải ra
20,7m3phân/năm. Theo ước tính của Tổ chức Nông Lương thế giới (FAO) [30], mỗi
năm ngành chăn nuôi lợn của Việt Nam thải ra ngoài môi trường xấp xỉ 110.000 tấn

N. Với một nguồn chất thải lớn như vậy nếu như không được xử lý phù hợp sẽ gây
ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Bảng 1.3. Lượng dinh dưỡng có trong 1m3 chất thải*
Nitơ tổng số
(kg)

Phospho tổng số
(kg)

Kali tổng số
(kg)

Bò

5,0

0,8

-

Lợn

4,2

0,8

2,2

Cừu

10,2

1,5

-

Gà đẻ

13,7

2,9

-

Loại gia súc

(Nguồn: EUROPEAN COMMUNITIES (2010)[28])
* Dùng để ước tính với giả thiết trong 1m3 chất thải có 1 tấn sinh khối.

Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn được tóm lược trong bảng 1.4. Tùy
thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể mà một số thành phần sẽ biến động ít hay nhiều.
Chất rắn tổng số dao động trong phạm vi từ 1% đến 10%, với hàm lượng cao các
acid béo dễ bay hơi, nitơ tổng số, nitơ ammonia, phospho, kali và COD. Giá trị pH
của chất thải chăn nuôi lợn trung bình là 7.5.


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các tài liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực, nguồn gốc rõ ràng và chưa có ai từng công bố trong bất
kỳ công trình nào./.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Mai Phương


7
phì dưỡng, ô nhiễm đất và ô nhiễm nước. Chưa kể nguồn khí thải CO2 phát tán do hơi
thở của vật nuôi.
Ô nhiễm do chăn nuôi đặc biệt là chăn nuôi lợn không chỉ làm hôi tanh
không khí mà còn ảnh hưởng nặng tới môi trường sống dân cư, nguồn nước và tài
nguyên đất ảnh hưởng chính đến kết quả sản xuất chăn nuôi. Các hoạt động gây ô
nhiễm do chăn nuôi vẫn đang tiếp tục diễn ra ở nhiều nơi trên cả nước. Phương
pháp xử lý chất thải rắn còn đơn giản: chủ yếu được tận dụng làm thức ăn cho cá
(phân lợn), ủ bán phân hoai mục bón lúa, hoa màu (phân lợn, trâu, bò, gia cầm),
nuôi giun song số lượng không nhiều (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
(2013) [2]).
Trong những năm qua, Việt Nam đang tích cực chuyển đổi dần tỷ trọng trong
nông nghiệp theo hướng tăng dần tỷ trọng chăn nuôi nên vấn đề môi trường trong
chăn nuôi sẽ ngày càng trở nên bức thiết cần phải có những chiến lược nghiên cứu
và quản lý phù hợp. Theo ước tính của FAO năm (2011) [30], lượng CO2 phát thải
từ một số hoạt động chính trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam là hơn 58.000

tấn và dự báo đến năm 2030 con số này sẽ lên đến trên 70.000 tấn. Trong đó các
hoạt động từ chăn nuôi đóng góp từ hơn 18.000 tấn vào năm 2011 (chiếm 31,03%)
dự báo sẽ đạt tới gần 29.300 tấn (chiếm 41,86%) vào năm 2030 (Hình 1.2).

Hình 1.2. Lượng CO2 phát thải từ sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam năm 2011
và dự báo đến năm 2030 [30]


8
Chỉ tính lượng CO2 phát thải từ khâu quản lý chất thải của một số loại
động vật nuôi chính tại Việt Nam năm 2012 thì chất thải từ lợn có mức đóng góp
cao nhất, trên 3500 tấn/năm, chiếm 62,6 % tổng lượng CO2 phát thải từ quản lý
phân trong chăn nuôi. Riêng đối với chất thải từ chăn nuôi lợn, từ năm 2009 đến
2013, số lượng lợn được nuôi có giảm đi nên lượng CO2 phát thải cũng giảm
xuống. Năm 2012 hoạt động quản lý chất thải từ chăn nuôi lợn đã thải ra hơn
3500 tấn CO2, dự báo con số này sẽ là 4300 tấn vào năm 2030 và trên 4700 tấn
vào năm 2050 (Hình 1.3).

Hình 1.3. Phát thải khí CO2 từ khâu quản lý chất thải của một số động vật nuôi
tại Việt Nam năm 2012 [30]

Hình 1.4. Phát thải khí CO2 từ quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam
trong giai đoạn từ năm 2009 - 2012, dự báo đến năm 2030 và 2050 [30]


9
1.4. Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn
1.4.1. Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun

Giun đất là nguồn thức ăn gia súc rất tốt với hàm lượng protein thô chiếm

70% trọng lượng khô. Hơn nữa, giun đất có thể xử lý chất thải hữu cơ, phân gà,
phân lợn, phân bò và chuyển hóa thành phân bón hữu cơ có chất lượng, và bằng
cách đó, cải thiện môi trường sinh thái các vùng nông thôn. Thậm chí, phân của
giun đất cũng có thể dùng để xử lý nước thải. Giun đất cũng cung cấp nguyên vật
liệu thô tốt nhất cho công nghiệp. Một số enzyme và hoạt chất được chiết xuất từ
giun đất để làm thuốc, thức ăn, mỹ phẩm. Sản phẩm thừa và xác chết còn lại góp
phần cải tạo, phục hồi đất. Giun đất là một nhà máy sản xuất hoá chất tự nhiên mà
chúng ta phải quan tâm, bảo vệ.
Giun quế (Perrionyx excavatus), thường sống trong môi trường có nhiều
chất hữu cơ đang phân hủy. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc chuyển hóa
chất thải, cứ 1000 giun đất với các thế hệ nối tiếp có thể tiêu thụ hết 1000kg rác
phế thải/1 năm (Nguyễn Xuân Giao (2008) [4]). Ngoài ra, giun cũng dùng để xử lý
chất thải ở một số nước khác như: Canada, Mỹ, Úc, Nhật... Giun từng được coi
như “thợ cày nguyên thủy”, làm tơi xốp đất, thoáng khí, giữ độ ẩm tốt, ở mật độ
200 con/m2 trong một năm chúng cày xới 80 tấn đất mặt/ha. Giun được nuôi
nhiều trên thế giới như: Ấn Độ, Úc, Phillipines... Hiện nay, theo các chuyên gia,
nuôi trùn quế có 4 tác dụng:
- Giải quyết môi trường tốt hơn, tác dụng xử lý chất thải.
- Thợ cày giúp đất thông thoáng.
- Cung cấp phân trùn (phân hữu cơ vi sinh).
- Cung cấp đạm làm thức ăn cho gia súc gia cầm, kể cả thức ăn cho thủy sản.

1.4.2. Xử lý chất thải bằng dung dịch vi sinh vật hữu ích
Thông thường những vi sinh vật hữu ích trên sử dụng những chất thải như
NH3 (mùi khai), H2S (mùi thối) và những sản phẩm hữu cơ trung gian gây ô nhiễm
môi trường. Thông thường, người chăn nuôi lợn định kỳ xịt hàng tuần sau khi vệ
sinh hàng ngày góp phần tích cực làm giảm mùi hôi một cách đáng kể và góp phần
tích cực làm sạch nước (độ trong của nước tăng lên). Ngoài ra, việc sử dụng những
cây như lục bình, bèo, cỏ vetiver... thả hay trồng ao xử lý nước góp phần tích cực
làm sạch môi trường nước.

10
1.4.3. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ phân hữu cơ
Tất cả phân gia súc gia cầm đều được thu dọn chứa trong khu vực xử lý, sau
khi đủ lượng phân tiến hành xây đống phân ủ oai, có thể thực hiện theo hai phương
pháp ủ nóng hay ủ nguội. Phương pháp ủ nguội phân chuồng được nén chặt xen kẽ
chất độn chuồng với độ ẩm 70%, sau đó dùng đất hay nylon che phủ cả đống phân,
sau 6-8 tháng phân đã oai mục hoàn toàn, còn phương pháp ủ nóng như việc ủ nguội
nhưng không cần nén chặt đống phân và định kỳ 2 tháng dùng dụng cụ xáo đống
phân lại, cứ làm như thế khoảng 2 lần là phân oai mục, 4-6 tháng phân hoai mục. Khu
vực ủ phân phải kín và nếu đặt trong nhà thì phải có ống thoát hơi ở trên nóc để hạn
chế mùi hôi phát tán.
1.4.4. Xử lý chất thải bằng hệ thống hầm biogas
Về nguyên lý, biogas (khí sinh học) là một loại khí được sinh ra từ chất thải
động vật và xác động thực vật (gọi là chất hữu cơ) bị lên men trong điều kiện yếm
khí. Vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ và khí được sinh ra. Biogas là hỗn hợp
các khí methane (CH4), carbonic (CO2), nitơ (N2) và sulfua hydro (H2S). Thành
phần chủ yếu là khí methane (60-70%), khí này đốt cháy được, 1m3 khí với mức
6000 calo có thể tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng hay 2,2 kWh điện. Có thể nói
rằng, biogas sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai nhằm giải
quyết chất đốt sinh hoạt, bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng dân
cư. Khí sinh học biogas còn được sử dụng cho đèn thắp sáng, lò sấy, máy sấy, đèn
sưởi, bình nước nóng, tủ lạnh chạy bằng gas, chạy máy phát điện… Các chất bã cặn
thải của hệ thống biogas là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng cho cây trồng, thay thế
một lượng lớn phân hóa học. Điều quan trọng là phân gia súc sau khi bị lên men yếm
khí đã loại trừ được các vi khuẩn gây hại cho con người, động vật. Vì vậy, việc
nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghệ khí sinh học (biogas) là một giải pháp để
giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường, cung cấp nguồn chất đốt, nguồn năng
lượng rất hiệu quả ở nông thôn nước ta.

1.5. Sử dụng công nghệ khí sinh học để quản lý chất thải chăn nuôi lợn
1.5.1. Khái quát về công nghệ khí sinh học
Công nghệ khí sinh học (công nghệ biogas) là quá trình ủ phân rác, phân hữu
cơ, bùn cống rãnh để tạo ra khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản
xuất. Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất khí sinh học là ao bùn, phế liệu, phế
thải trong sản xuất nông lâm nghiệp và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến
nông lâm sản. Phân động vật và các chất thải rắn như rơm, rạ rất thích hợp cho lên
men yếm khí. Vi sinh vật thường hay sử dụng nguồn hữu cơ carbon nhanh hơn sử


11
dụng nitơ khoảng 30 lần. Do vậy nguyên liệu có tỷ lệ C/N là 30/1 sẽ thích hợp nhất
cho lên men yếm khí.
Khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp
chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí.
Đặc tính khí sinh học
Khí sinh học có trọng lượng riêng khoảng 0,9 - 0,94 kg/m3 trọng lượng riêng
này thay đổi do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp lượng H2S chiếm một
lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H2SO4 khi tác dụng với nước gây độc cho người
và làm hư hỏng dụng cụ đun nấu. Mùi hôi của chất này giúp xác định nơi hư hỏng
của hệ thống để sữa chữa.
Khí sinh học có tính dễ cháy khi được hòa lẫn nó với tỷ lệ từ 6 đến 25%
trong không khí. Nếu hỗn hợp khí CH4 chỉ chiếm 60% thì 1m3 cần 8m3 không khí.
Trong thực tế, khí biogas (KSH) cháy tốt trong không khí khi được hòa lẫn ở tỉ lệ là
1/9 - 1/10.
1.5.2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ sản xuất biogas
Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men yếm khí các chất hữu cơ sinh ra
một hỗn hợp khí có thể cháy được: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,... trong đó CH4 là sản
phẩm khí chủ yếu .

Hình 1.5. Sơ đồ quá trình lên men tạo khí methane


12
1.5.3. Những yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình sinh khí methane
- Đều kiện không khí: không có O2 trong dịch lên men
- Nhiệt độ: quy mô nhỏ thực hiện ở 30 - 35oC, quy mô lớn có cơ khí hóa và
tự động hóa thực hiện ở 50 - 55oC
- Độ pH 6,5 - 7,5 (nếu < 6,5 thì vi khuẩn giảm sinh trưởng và phát triển)
- Tỷ lệ carbon/nitơ = 30/1 là tốt nhất
- Tỷ lệ pha loãng: tỷ lệ nước/phân dao động từ 1/1 đến 7/1
- Sự có mặt của không khí và độc tố: tuyệt đối không có oxy. Các ion NH4+,
K+, Ca2+, Zn2+, SO42- ở nồng độ cao có ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của
vi khuẩn sinh khí methane
- Đặc tính của nguyên liệu
- Tốc độ bổ sung nguyên liệu: bổ sung đều đặn thì sản lượng khí thu được sẽ cao
- Khuấy đảo môi trường lên men: tăng cường tiếp xúc cơ chất
- Thời gian lên men: 30 - 60 ngày
1.5.4. Các công nghệ biogas phát triển ở Việt Nam
1.5.4.1. Hầm biogas nắp cố định hình vòm hoặc phẳng
Đây là loại hầm thông dụng và được nghiên cứu rộng rãi từ Trung Quốc và
sau đó ở nhiều nơi khác cho tới nay (Luong và cs., (2002) [39]). Được xây lắp từ
gạch và xi măng, hầm có cấu trúc vững và độ bền cao, biogas sinh ra có áp suất cao.
Tuy nhiên nhược điểm chủ yếu là cần phải có kỹ thuật viên có tay nghề cao để xây
dựng và bảo trì. Giá thành khá cao, xây lắp khá cao cũng là một giới hạn của công
nghệ này.
Trong những năm vừa qua, công nghệ loại này phát triển chủ yếu là loại hầm
xây gạch nắp vòm hay bán cầu. Thể tích hầm thường biến động từ 5 đến 30 m3. Do
có chương trình phát triển được nước ngoài tài trợ nên đang được phát triển trên
nhiều tỉnh phía nam. Lực lượng thợ xây hầm đa số được tập huấn và rèn luyện qua

các lớp tập huấn do các dự án tài trợ. Tuy vậy, nhiều cơ sở thiết kế xây lắp còn chưa
được tập huấn, chủ yếu do kinh nghiệm làm lâu năm. Số hầm xây có tỷ lệ sử dụng
còn khá thấp do chưa có chính sách hậu mãi tốt và màng lưới công nhân kỹ thuật
sửa chữa chưa đều khắp. Chủ yếu hầm xây phục vụ cho các chăn nuôi gia đình hay
trại chăn nuôi nhỏ và vừa. Một số doanh nghiệp đã hình thành để cung cấp dịch vụ
xây loại hầm ủ này.


13
1.5.4.2. Hầm biogas nắp nổi
Xuất xứ từ Ấn Độ, loại hầm này có cấu trúc gọn, chiếm ít diện tích xây dựng
nhưng do giá thành cao hơn hẳn các loại hầm khác nên số lượng lắp đặt khá khiêm
tốn. Ngoài ra, chất lượng của nắp nổi cũng là một vấn đề cần quan tâm. Loại hầm
này được một số cơ sở thiết kế và xây dựng nhưng với số lượng ít.
1.5.4.3. Túi biogas bằng nhựa dẻo Polyethylene
Vấn đề quan trọng nhất trong các chương trình biogas ở các nước đang phát
triển chính là giá thành của hầm ủ. Trước đây giá một hầm ủ xây bằng xi măng cho
một gia đình chăn nuôi quy mô nhỏ biến động trong vòng 5-10 triệu. Giá này là một
trở ngại cho hầu hết các tiểu nông. Với chi phí chỉ bằng 1/4-1/5 giá hầm xây, túi ủ
bằng polyethylene trở nên rất hấp dẫn cho người sử dụng ở Việt Nam. Một điểm hết
sức thuận lợi là túi ủ có thể lắp nổi trên mặt nước, rất thích hợp cho những vùng
ngập nước, vùng có mùa nước nổi như các tỉnh ở Đồng bằng sông Cửu Long.
Được nghiên cứu và phát triển từ những năm đầu 1990, công nghệ túi biogas
nhựa dẻo đã phát triển nhanh và khá bền vững trong điều kiện tự nhiên và xã hội ở
các tỉnh phía nam. Do công nghệ đơn giản, nhiều người dân có thể tự lắp đặt nên chỉ
tốn công mua vật tư làm túi. Tuy chưa có một khảo sát chính thức, nhưng nó đã góp
phần không nhỏ vào việc sản xuất một khối lượng gas đáng kể phục vụ đồng bào ở
nông thôn và hạn chế khá tốt khả năng gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không
khí ở các khu vực dân cư có chăn nuôi. Tuy vậy, do nhiều điều kiện khác nhau, công
nghệ túi nhựa không phát triển ở khu vực phía bắc (Luong và cs., (2002) [39]).

1.5.4.4. Hầm ủ ống nằm ngang bằng bê tông và bằng composite
Nhằm đa dạng hoá các sản phẩm hầm biogas, gần đây Trường Đại học Nông
Lâm, Đại học Bách Khoa tại thành phố Hồ Chí Minh và một số đơn vị khác đã thử
nghiệm loại hầm biogas ống nằm ngang bằng bê tông và bằng vật liệu composite
với ưu điểm:
-

Độ bền cao,
Giá thành vừa phải,
Kỹ thuật lắp đặt đơn giản,
Vận hành thuận tiện, ít phải bảo trì, sửa chữa,
Có thể chuyển đổi vị trí hầm ủ.

Loại hầm này cũng đã phát triển tốt ở một số tỉnh miền nam như Bến Tre,
Long An, Tiền Giang. Tuy nhiên, cần có một số nghiên cứu phát triển để các công


ii

LỜI CÁM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: PGS.TS. Trần Thanh Vân,
người thầy hướng dẫn khoa học đã hết sức quan tâm và tận tình hướng dẫn em để có
thể hoàn thành luận văn này;
Em xin chân thành cám ơn tới TS. Phạm Hùng Cường đã tận tình hướng dẫn
em trong suốt quá trình làm đề tài và cán bộ, nhân viên của Viện Chăn Nuôi Quốc Gia,
đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại Viện;
Tôi cũng xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ, nghiên cứu viên và kỹ thuật
viên của Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi
- Viện Chăn nuôi, đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài;

Em xin trân trọng cám ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, các
thầy giáo, cô giáo Khoa Chăn nuôi thú y, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học Trường
Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.
Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới lãnh đạo, bạn bè và đồng nghiệp
đang công tác tại Viện Chăn nuôi Quốc gia; Bộ môn Môi trường Chăn nuôi; nơi tôi
đang làm việc, đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm
việc, học tập và nghiên cứu khoa học tại cơ quan;
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình của tôi luôn bên cạnh động
viên và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học./.
Trân trọng cám ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Mai Phương


15
cứu cho thấy làm tăng sản lượng methane tối thiểu từ 1,3 - 12,5% tùy theo tỷ lệ, đồng
thời sản lượng biogas tăng trung bình là 7%. Với nguyên liệu là phân gia súc, tỷ lệ phối
trộn trong điều kiện lên men ở 55°C là 40/60 (chất thải sau biogas/nguyên liệu đầu vào)
trong thời gian là 30 phút cho kết quả tốt (Prasad Kaparaju và cs., (2008) [50]).
- Xử lý phân trước khi nạp vào bể phản ứng: sản lượng sinh khí biogas của phân
lỏng thường đạt thấp và không mang lại hiệu quả kinh tế. Do vậy người ta thường bổ
sung thêm phân rắn được tách từ pha rắn-lỏng. Sản lượng sinh khí biogas tăng dần
lên cùng với tỷ lệ phân rắn được bổ sung so với chỉ có phân lỏng. Nếu tăng tỷ lệ này

lên 60% thì sản lượng khí biogas tăng gấp đôi. Tuy nhiên sản lượng khí methane khi
bổ sung hàm lượng phân rắn cao chỉ đạt 200 lít/kg VS trong khi đối với phân lỏng là
300 lít/kg VS trong điều kiện xử lý chất thải của lợn. Nguyên nhân do sự kìm hãm
của NH3, khi hàm lượng N-NH4 tăng quá 5g/l (Møller và cs., (2007) [46]).
- Sử dụng chất bổ sung là vi khuẩn sinh khí methane: nhiều nghiên cứu đã cho
thấy bổ sung nguồn vi khuẩn sinh khí methane có liên quan đến động học của quá
trình sinh khí biogas từ phân gia súc. Lượng khí methane được sinh ra dường như
tương xứng với tỷ lệ ban đầu của phân gia súc và nguồn vi khuẩn bổ sung. Một
trong những nguồn vi khuẩn sinh khí methane tự nhiên được nghiên cứu nhiều đó là
dịch dạ cỏ. Tỷ lệ bổ sung dịch dạ cỏ tỷ lệ thuận với khả năng sinh khí biogas
(Forster-Carneiro và cs., (2008) [31]).
Ngoài ra để tăng sản lượng khí biogas người ta còn sử dụng một số biện pháp
khác như: bổ sung thêm dinh dưỡng cho nhu cầu của vi khuẩn lên men yếm khí,
tăng cường tiếp xúc giữa vi khuẩn và cơ chất bằng khuấy đảo, tăng cường phản ứng
bằng cách cố định vi khuẩn lên trên một tấm màng, kiểm soát sự kìm hãm của
ammonia (NH3).
1.5.6. Đặc điểm và mục đích sử dụng chất thải sau biogas
1.5.6.1. Đặc điểm chất thải sau biogas
Chất thải sau biogas là phần còn lại của bể khí sinh học trong quá trình sản
xuất khí sinh học (methane - CH4) để làm nhiên liệu (gas) đốt cháy phục vụ cho
mục đích năng lượng. Chất thải sau biogas gồm có 3 thành phần chính:
- Phần váng nằm trên mặt bể khí sinh học
- Phần nước lỏng
- Phần cặn bã còn lại dưới đáy bể.