Nghiên cứu thực trạng và giải pháp nhân rộng hầm khí sinh học (BIOGAS) trong xử lý chất thải chăn nuôi tại huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRẦN TRUNG BẮC

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP
NHÂN RỘNG HẦM KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)
TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI TẠI
HUYỆN YÊN SƠN, TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

THÁI NGUYÊN - 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRẦN TRUNG BẮC

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP
NHÂN RỘNG HẦM KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)
TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI TẠI
HUYỆN YÊN SƠN, TỈNH TUYÊN QUANG
Ngành: Phát triển nông thôn
Mã số: 60 62 01 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH NGỌC LAN

THÁI NGUYÊN - 2015


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử
dụng để bảo vệ một học vị nào và các thơng tin được trích dẫn trong luận văn
này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả đề tài

Trần Trung Bắc


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thực trạng và giải pháp
nhân rộng hầm Khí Sinh Học (BIOGAS) trong xử lý chất thải chăn nuôi tại
huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang”, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và
chân thành đến các thầy, cô giáo trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, khoa
Kinh tế - Phát triển nông thôn đã truyền đạt cho tác giả những kiến thức bổ ích
và đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả thực hiện bản luận văn này. Tác giả xin
bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Đinh Ngọc Lan,
trường đại học Nơng Lâm Thái Ngun đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo cho tác
giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Tuyên
Quang, Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn Tuyên Quang,
Hội Nông dân tỉnh Tuyên Quang, UBND huyện Yên Sơn, các phịng, ban

chun mơn, UBND các xã các Mỹ Bằng, Phúc Ninh, Nhữ Hán, đặc biệt là các
hộ gia đình đã thực hiện tham gia trả lời phỏng vấn và đã cung cấp những số liệu
cần thiết, giúp đỡ tơi trong q trình tìm hiểu nghiên cứu tại địa bàn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới gia
đình, bạn bè đã không ngừng động viên, giúp đỡ tác giả cả về vật chất lẫn tinh
thần trong suốt quá trình học tập và rèn luyện. Dù đã cố gắng nhưng trình độ,
năng lực bản thân còn hạn chế nên trong báo cáo của tác giả chắc chắn khơng
tránh khỏi sai sót, kính mong các thầy giáo, cơ giáo, các đồng nghiệp góp ý để
nội dung nghiên cứu này hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả đề tài

Trần Trung Bắc


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 3
4. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. Cơ sở lý luận .............................................................................................. 4

1.1.1. Biogas (khí sinh học) là gì?..................................................................... 4
1.1.2. Khả năng sản sinh Biogas ....................................................................... 6
1.1.3. Ngun lý của q trình chuyển hóa....................................................... 6
1.1.4. Vai trị của Biogas ................................................................................. 15
1.1.5. Các loại hầm khí Biogas ....................................................................... 16
1.1.6. Khái quát về hiệu quả và hiệu quả sử dụng hầm khí Biogas ................ 19
1.1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc áp dụng công nghệ hầm Biogas ......... 20
1.2. Cơ sở thực tiễn ......................................................................................... 22
1.2.1. Trên thế giới .......................................................................................... 22
1.2.2. Tại Việt Nam ......................................................................................... 23
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 29
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 29
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 29
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 29


iv

2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29
2.3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 30
2.3.1. Phương pháp chọn điểm nghiên cứu ..................................................... 30
2.3.2. Phương pháp thu thập số liệu ................................................................ 30
2.4. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................. 31
2.4.1. Phương pháp thống kê mô tả................................................................. 31
2.4.2. Phương pháp so sánh............................................................................. 31
2.4.3. Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia .......................................... 31
2.5. Hệ thống chỉ tiêu nghiên cứu ................................................................... 32
Chương 3. 33KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 33
3.1. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội huyện Yên Sơn ............ 33
3.1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 33

3.1.2. Điều kiện kinh tế, xã hội ....................................................................... 34
3.2. Thực trạng tình hình áp dụng hầm Biogas của hộ chăn nuôi trên địa
bàn huyện Yên Sơn ............................................................................... 38
3.2.1. Khái quát về tình hình phát triển ngành chăn nuôi của huyện Yên Sơn......... 38
3.2.2. Thực trạng áp dụng công nghệ hầm Biogas trên địa bàn huyện Yên Sơn ........40
3.2.3. Thực trạng áp dụng công nghệ hầm khí Biogas ở các xã điều tra ........ 44
3.3. Thực trạng ứng dụng hầm Biogas ở các hộ điều tra ................................ 50
3.3.1. Tình hình chăn ni của các hộ điều tra ............................................... 50
3.3.2. Tình hình ứng dụng hầm Biogas của các hộ điều tra............................ 52
3.4. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc ứng dụng công nghệ hầm
khí Biogas trong chăn ni ở huyện n Sơn ...................................... 56
3.4.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 56
3.4.2. Yếu tố xã hội ......................................................................................... 56
3.4.3. Quy mô chăn nuôi ................................................................................. 57
3.4.4. Nguồn vốn ............................................................................................. 57
3.4.5. Yếu tố kỹ thuật, khả năng tiếp thu, ứng dụng công nghệ Biogas
của các hộ .............................................................................................. 58


v

3.4.6. Mặt bằng để xây dựng chuồng trại và lắp đặt hầm Biogas ................... 58
3.4.7. Chính sách ứng dụng cơng nghệ hầm Biogas vào chăn nuôi ở địa phương....... 58
3.4.8. Các khó khăn khác ............................................................................................. 59
3.5. Định hướng và giải pháp tăng cường ứng dụng nhân rộng mơ hình
hầm Biogas của các hộ trên địa bàn huyện Yên Sơn ............................ 62
3.5.1. Căn cứ chung để đưa ra định hướng và giải pháp tăng cường ứng
dụng nhân rộng hầm Biogas ở các hộ trên địa bàn huyện Yên Sơn ..... 62
3.5.2. Định hướng phát triển Biogas ở huyện Yên Sơn .................................. 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 69

1. Kết luận ....................................................................................................... 69
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 70
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 73
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 76


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BQ

Bình qn

CN -TTCN

Cơng nghiệp - Tiểu thủ cơng nghiệp

GSGC

Gia súc gia cầm

GTSX

Giá trị sản xuất

KSH

Khí sinh học

NTTS

Nuôi trồng thủy sản

VAC

Vườn ao chuồng

VSV

Vi sinh vật

UBND

Ủy ban nhân dân


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử
dụng để bảo vệ một học vị nào và các thơng tin được trích dẫn trong luận văn
này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả đề tài

Trần Trung Bắc


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Q trình tạo khí sinh học ............................................................... 9
Hình 1.2: Xây dựng cơng trình KSH (Biogas) bằng gạch ............................ 79
Hình 1.3: Cơng trình KSH bằng vật liệu Composite .................................... 79
Hình 1.4: Cơng trình KSH bằng vật liệu bạt HDPE màng chống
thấm HDPE ................................................................................... 80


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Chăn ni ở nước ta dù nhỏ lẻ hay quy mô lớn đều gây ô nhiễm môi
trường do một lượng lớn chất thải của gia súc, gia cầm cơ bản vẫn xả thẳng ra
tự nhiên hoặc sử dụng không qua xử lý.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong
chăn nuôi ở nước ta hiện nay? Hiện nay phần lớn bà con chăn nuôi theo kiểu
phân tán và ít đầu tư đúng mức việc xử lý môi trường. Bên cạnh chủ trương
lớn là quy hoạch lại chăn ni theo hướng quy mơ tập trung thì vấn đề đặt ra
là gắn tổ chức chăn nuôi tập trung với công nghệ hầm Biogas và tạo lập thị
trường phân bón có giá trị cao sau xử lý; nhưng mũi nhọn vẫn là sử dụng hầm
khí Biogas bởi vừa xử lý triệt để chất thải, vừa tạo ra nguồn năng lượng khí
gas làm chất đốt, chạy máy phát điện vừa có phân bón phục vụ sản xuất rau
quả an tồn. Ứng dụng cơng nghệ hầm khí Biogas đang là giải pháp đa tiện
ích, vừa khả thi trước mắt, vừa bền vững lâu dài.
Huyện Yên Sơn nằm ở phía nam của tỉnh Tuyên Quang, bao quanh
thành phố Tuyên Quang, phía tây nam giáp huyện Đoan Hùng (Phú Thọ),
phía tây giáp huyện n Bình (n Bái), phía đơng là huyện Định Hóa (Thái
Nguyên) và huyện Chợ Đồn tỉnh (Bắc Kạn). Huyện có diện tích và dân số lớn

nhất tỉnh Tuyên Quang, với diện tích là 1.132,42 km² và dân số 162.936
người. Cả hai con sông Lô và sông Gâm đều chảy vào và gặp nhau tại huyện
này. Chăn ni đặc biệt đóng vai trị quan trọng trong kinh tế hộ gia đình và là
một trong những nguồn thu chủ yếu của nông hộ trong địa bàn huyện. Để
khắc phục tình trạng ơ nhiễm mơi trường trong chăn ni nói chung và chăn
ni lợn, ni trâu, bị nói riêng ở huyện n Sơn, người dân đã ứng dụng
công nghệ hầm chứa Biogas, bước đầu đã mang lại những kết quả khả quan
như: hạn chế sự ô nhiễm môi trường xung quanh, hạn chế được tình hình dịch
bệnh lây lan, tạo ra nguồn khí gas làm chất đốt, tạo ra nguồn điện thắp sáng...


2

Tuy nhiên, cơng nghệ hầm khí Biogas trong chăn ni hiện nay ở
huyện Yên Sơn chưa được áp dụng rộng rãi, người dân địa phương cịn gặp
rất nhiều khó khăn đặc biệt là vấn đề ứng dụng chuyển giao công nghệ, vấn
đề về vốn để xây dựng hầm... Vì vậy, việc triển khai cơng nghệ hầm khí
Biogas tới các nơng hộ đang là vấn đề mà cả người dân và các cấp chính
quyền địa phương đang quan tâm để giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong
chăn nuôi.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, tơi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên
cứu thực trạng và giải pháp nhân rộng hầm khí sinh học (BIOGAS) trong xử
lý chất thải chăn ni tại huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang” làm đề tài
nghiên cứu nhằm góp phần đưa ra được những giải pháp tích cực để mở rộng
quy mơ và phạm vi áp dụng cơng nghệ hầm khí Biogas có hiệu quả trong thời
gian tới.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2.1. Mục tiêu chung
Trên cơ sở nghiên cứu thực trạng áp dụng cơng nghệ hầm khí Biogas
vào chăn ni hiện nay ở huyện Yên Sơn, những thuận lợi và khó khăn của

từng hộ gia đình trong q trình sử dụng. Từ đó đề xuất những giải pháp
nhằm khắc phục khó khăn và nâng cao hiệu quả sử dụng, tăng cường ứng
dụng công nghệ hầm khí Biogas vào chăn ni tại địa phương.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Hệ thống lý luận và thực tiễn về cơng nghệ hầm khí Biogas và việc sử
dụng hầm khí Biogas
- Đánh giá được hiện trạng sử dụng hầm Biogas trong xử lý chất thải
chăn nuôi tại huyện n Sơn
- Phân tích được những thuận lợi khó khăn trong q trình xây dựng và
sử dụng cơng nghệ hầm khí Biogas.


3

- Đề xuất được các giải pháp nhằm khắc phục khó khăn và nâng cao
hiệu quả sử dụng, nhân rộng cơng nghệ hầm khí Biogas trong phát triển chăn
ni tại địa phương trong thời gian tới.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tập trung nghiên cứu các vấn đề liên
quan đến xây dựng và sử dụng cơng nghệ hầm khí Biogas tại huyện n Sơn,
tỉnh Tuyên Quang. Những vấn đề lý luận và thực tiễn hiệu quả ứng dụng công
nghệ Biogas vào trong chăn nuôi.
4. Ý nghĩa của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài đánh giá được những thuận lợi và khó
khăn trong q trình xây dựng và sử dụng cơng nghệ hầm khí Biogas của
huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang trong thời gian qua; đề xuất các giải pháp
có tính khả thi góp phần đẩy mạnh việc xây dựng và sử dụng cơng nghệ hầm
khí Biogas ở huyện n Sơn trong thời gian tới. Vì vậy, đây là luận cứ khoa
học phục vụ cho sự lãnh đạo, chỉ đạo của huyện trong việc triển khai xây
dựng và sử dụng cơng trình khí sinh học trong chăn nuôi tại địa phương.

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thực trạng và giải pháp
nhân rộng hầm Khí Sinh Học (BIOGAS) trong xử lý chất thải chăn nuôi tại
huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang”, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và
chân thành đến các thầy, cô giáo trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, khoa
Kinh tế - Phát triển nông thôn đã truyền đạt cho tác giả những kiến thức bổ ích
và đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả thực hiện bản luận văn này. Tác giả xin
bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Đinh Ngọc Lan,
trường đại học Nơng Lâm Thái Ngun đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo cho tác
giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Tuyên
Quang, Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn Tuyên Quang,
Hội Nông dân tỉnh Tuyên Quang, UBND huyện Yên Sơn, các phịng, ban
chun mơn, UBND các xã các Mỹ Bằng, Phúc Ninh, Nhữ Hán, đặc biệt là các
hộ gia đình đã thực hiện tham gia trả lời phỏng vấn và đã cung cấp những số liệu
cần thiết, giúp đỡ tơi trong q trình tìm hiểu nghiên cứu tại địa bàn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới gia
đình, bạn bè đã không ngừng động viên, giúp đỡ tác giả cả về vật chất lẫn tinh
thần trong suốt quá trình học tập và rèn luyện. Dù đã cố gắng nhưng trình độ,
năng lực bản thân còn hạn chế nên trong báo cáo của tác giả chắc chắn khơng
tránh khỏi sai sót, kính mong các thầy giáo, cơ giáo, các đồng nghiệp góp ý để
nội dung nghiên cứu này hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả đề tài

Trần Trung Bắc

5

nhiễm môi trường, cho nên trở thành nguyên liệu KSH sẽ góp phần rất tích cực
cho việc giảm thiểu ơ nhiễm môi trường. Nguyên liệu chủ yếu nên sử dụng hiện
nay là phân và nước tiểu của người, gia súc, gia cầm, rác rưởi [8, tr.13].
Trung bình mỗi đầu gia súc ni nhốt trong chuồng sau một năm có thể
cung cấp lượng phân chuồng kể cả độn như sau:
Bảng 1.1: Lượng phân chuồng (kể cả độn) của một số loại gia súc nuôi nhốt
TT

Loại gia súc

Lượng phân chuông/ năm

1

Lợn

1,8-2,0 tấn/con/năm

2

Dê

0,8-0,9 tấn/con/năm

3

Trâu, bị

8,0-9,0 tấn/con/năm

4

Ngựa

6,0-7,0 tấn/con/năm

Nguồn: Tài liệu hỏi đáp về cơng nghệ khí sinh học (2009) [8, tr.14]
Bảng 1.2: Lượng chất thải hàng ngày của động vật
Động vật

TT

Lượng chất thải hàng ngày (kg/ngày/cá thể)
Phân

Nước tiểu

1

Bò

15-20

6-10

2

Trâu

18-25

8-12

3

Lợn

1,2-3,0

4-6

4

Gia cầm

0,02-0,05

0

5

Người

0,2-0,4

0,3-1,0

Nguồn: Tài liệu hỏi đáp về cơng nghệ khí sinh học (2009) [8, tr. 15]
Bảng 1.3: Tỷ lệ cacbon/nitơ của các loại nguyên liệu
TT

Nguyên liệu

C/N

TT

Nguyên liệu

C/N

1

Nước tiểu

0,8

6

Chất thải của người

8

2

Chất thải của bị

20

7

Rơm lúa khơ

70

3

Chất thải của trâu

20

8

Cây lá ngô khô

60

4

Chất thải của lợn

13

9

Bèo tây tươi

25

5

Chất thải của gà

7

10

Rác thải rau xanh

35

Nguồn: Tài liệu hỏi đáp về cơng nghệ khí sinh học (2009) [8, tr.20]


6

1.1.2. Khả năng sản sinh Biogas
Hầu hết các thành phần hữu cơ bao gồm protein, lipit, cacbohydrat,
xenlulo (trừ dầu khoáng, lignin) đều có khả năng chuyển hóa sinh học thành
Biogas (CH4, CO2). Tuy nhiên hiệu suất sinh khí cịn phụ thuộc vào chất
lượng nguyên liệu, nhiệt độ môi trường và thời gian lưu giữ nguyên liệu trong
thiết bị.
Bảng 1.4: Hiệu suất sinh khí của các loại nguyên liệu (lít/ngày/kg)
TT

Loại nguyên liệu

Sản lượng

TT

Loại nguyên liệu

Sản lượng

1

Chất thải của bò

35

8

Phân bò

42

2

Chất thải của trâu

33

9

Phân trâu

39

3

Chất thải của

40

10

Phân dê/cừu

49

Dê/cừu
4

Chất thải của lợn

63

11

Phân lợn

130

5

Chất thải của người

72

12

Phân người

194

6

Chất thải của gà

74

13

Bèo tây

18

7

Rác rau xanh

30-40

14

Rơm, rạ khơ

180

Nguồn: Tài liệu hỏi đáp về cơng nghệ khí sinh học (2009) [8, tr.28]
1.1.3. Nguyên lý của quá trình chuyển hóa
Về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giữ trong hầm kín vài
ngày sẽ chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạng khí - khí sinh học, có
khả năng cháy được với thành phần chính là metan và cacbon dioxide, trong
đó thành phần metan chiếm khoảng trên 70%. Quá trình này được gọi là quá
trình lên men kỵ khí hoặc q trình sản xuất khí mêtan sinh học.
Một hệ thống Biogas bao gồm hầm Biogas, thiết bị thu khí được lắp đặt
trực tiếp trên nắp hầm, hệ thống ngăn và đường ống cấp nguyên liệu đầu vào
(chất thải thô và nước). Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đường ống dẫn
chất thải (bùn sau khi lên men) để sử dụng làm phân bón sinh học.


7

Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật
sẽ được các vi sinh vật kỵ khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp
chất dinh dưỡng cơ bản có ích cho thực vật và đất mùn. Q trình này địi hỏi
một số điều kiện tối ưu như độ ẩm, nhiệt độ, bóng tối… trong hầu hết các giai
đoạn của quá trình phân hủy, khơng có sự hiện diện của oxy từ mơi trường
khơng khí, sự tồn tại của vi khuẩn kỵ khí chiếm ưu thế, chuyển hóa các hợp
chất dạnh hydrocacbon. Các thành phần dinh dưỡng như hợp chất chứa nitơ
dạng hòa tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân hủy và là nguồn phân
bón giàu dinh dưỡng cho đất mùn.
Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính [8, tr. 16-17].
- Giai đoạn thủy phân

Ở giai đoạn đầu một nhóm vi khuẩn biến đổi các chất hữu cơ phức tạp
không tan trong nước như xenlulozơ, hemi xenlulozơ, licnin thành các chất
hữu cơ đơn giản và tan được như glucozơ. Giai đoạn này gọi là thủy phân và
các vi khuẩn tham gia được gọi là vi khuẩn thủy phân.
Các nhóm vi sinh vật đầu tiên tham gia vào quá trình thủy phân
(hydrolysis) cacrbon hydrat, lipid và protein để tạo ra các thành phần đơn giản
hơn là đường, axit béo và các axit amin.
- Giai đoạn hình thành axit
Các chất đơn giản được sinh ra ở giai đoạn đầu bị phân giải thành các
axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như axit axetic, axit propinic, axit
butyric... các aldehyt, rượu và một số khí như nitơ, hiđrơ, ddioxxit cacsbon,
amoniac... giai đoạn hai được gọi là giai đoạn sinh axit và nhóm các vi khuẩn
tham gia được gọi là vi khuẩn sinh axit để tạo ra axitcacbon, rượu, hydrogen,
CO2 và NH3. Tiếp đến là q trình sinh axêtơn để tạo ra H2, axit axêtic và CO2.
Các vi khuẩn thủy phân và sinh axit là kỵ khí khơng bắt buộc. Chúng
phát triển tương đối nhanh. Các phản ứng thủy phân và sinh axit xảy ra một


8

cách nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha là pha axit (gồm 2 giai
đoạn thủy phân và sinh axit). Ở giai đoạn này do sinh nhiều axit nên pH của
môi trường giảm mạnh.
- Giai đoạn lên men metan
Đây là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình, các axit hữu cơ
và các hợp chất đơn giản là sản phẩm của giai đoạn 2 được biến thành khí
mêtan, đioxit cacbon, oxy, nitơ, hyđrơ sunfua... cuối cùng là q trình sinh khí
mêtan để tạo ra CH4 và CO2. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn sinh mêtan,
xảy ra do tác động của vi khuẩn gọi là vi khuẩn mê tan(methanogenesis),
thường thuộc Cổ khuẩn (Archae) và gồm hai nhóm: Nhóm ưa ấm với nhiệt độ

thích hợp nhất là 370C - 410C và nhóm ưa nhiệt với nhiệt độ thích hợp nhất là
500C - 520C. Khi lên men chúng có thể nâng nhiệt độ cơ chất lên đến 700C.
Sự phân chia các giai đoạn như trên chỉ mang tính quy ước, trong vận
hành thực tế của các hệ thống khí sinh học tồn bộ các q trình hóa học của
cả ba giai đoạn hoạt động cùng một lúc và đồng bộ với nhau: Sản phẩm sinh
ra ở giai đoạn 1 sẽ được các vi khuẩn sử dụng hết ngay ở giai đoạn 2; tiếp
theo là toàn bộ sản phẩm sinh ra ở giai đoạn 2 sẽ được vi khuẩn sinh meetan
của giai đoạn 3 sử dụng để tạo thành hỗn hợp KSH. Cứ như vậy các phản ứng
sản xuất KSH hoạt động đồng bộ và liên tục như một dây chuyền sản xuất.
Sau khi đạt trạng thái cân bằng thì pH của mơi trường đạt giá trị trung tính
(pH=7). Nếu vì một lý do nào đó mà một mắt xích trong chuỗi dây chuyền bị
trục trặc sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản lượng KSH sinh ra. Chẳng hạn ở
giai đoạn 2 khi axit sinh ra quá nhiều mà vi khuẩn sinh mê tan khơng kịp tiêu
thụ hết thì tức khắc pH giảm nhanh, mơi trường axit kìm hãm mạnh, thậm chí
có thể làm tê liệt và tiêu diệt vi khuẩn trung tính làm cho khả năng sinh mê
tan giảm xuống hoặc ngừng hẳn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 3

4. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. Cơ sở lý luận .............................................................................................. 4
1.1.1. Biogas (khí sinh học) là gì?..................................................................... 4
1.1.2. Khả năng sản sinh Biogas ....................................................................... 6
1.1.3. Ngun lý của q trình chuyển hóa....................................................... 6
1.1.4. Vai trị của Biogas ................................................................................. 15
1.1.5. Các loại hầm khí Biogas ....................................................................... 16
1.1.6. Khái quát về hiệu quả và hiệu quả sử dụng hầm khí Biogas ................ 19
1.1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc áp dụng công nghệ hầm Biogas ......... 20
1.2. Cơ sở thực tiễn ......................................................................................... 22
1.2.1. Trên thế giới .......................................................................................... 22
1.2.2. Tại Việt Nam ......................................................................................... 23
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 29
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 29
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 29
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 29


10

Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này xét trên nhiều khía cạnh khác
nhau được trình bày chi tiết như sau: [8, tr. 18 - 21]
- Nhiệt độ
Trong quá trình phân hủy tạo Biogas, nhiệt độ ảnh hưởng tới tốc độ của
phản ứng sinh học, độ hòa tan của các kim loại nặng (yếu tố gây độc), độ hòa
tan của CO2 và thành phần Biogas sinh ra. Quá trình phân giải kỵ khí có thể
xảy ra trong giới hạn nhiệt độ từ 30C tới 700C. Nói chung nhiệt độ càng cao
thì quá trình phân giải xảy ra càng nhanh.
Đối với các thiết bị khí sinh học đơn giản, nhiệt độ tối ưu là 350C 400C. Chúng khơng có thiết bị giữ nhiệt ổn định nên nhiệt độ dịch phân giải

biến đổi theo nhiệt độ khí quyển và chỉ hoạt động có hiệu quả khi nhiệt độ
trung bình năm vào khoản 200C trở lên hoặc nhiệt độ trung bình ngày ít nhất
là 180C. Khi nhiệt độ trung bình năm xuống dưới 150C thì thiết bị khơng cịn
hiệu quả kinh tế nữa, khi nhiệt độ dưới 100C q trình sinh khí mêtan hầu như
ngừng hẳn.
Đối với các thiết bị xây ngầm dưới đất, sự thay đổi giữa ngày và đêm
không bị ảnh hưởng lớn vì nhiệt độ của dịch phân giải biến đổi theo nhiệt độ
của đất. Ở độ sâu từ 1m trở xuống thực tế nhiệt độ của đất thay đổi khơng
đáng kể. Do đó xây hầm Biogas ngầm ở dưới đất giữ nhiệt độ ổn định hơn.
Quá trình sinh mêtan rất nhạy cảm với sự biến đổi nhiệt độ. Sự tăng
giảm nhiệt độ vượt quá giới hạn + 10C/giờ sẽ làm giảm tốc độ sinh khí rõ rệt.
Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm đối với sự biến thiên của
nhiệt độ, điều quan trọng là phải duy trì một nhiệt độ khơng đổi riêng biệt.
Nguồn ngun liệu có nhiệt độ thấp hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt khơng
tốt, hoặc q trình vận hành để xảy ra sự phân tầng nhiệt độ… có thể gây ảnh
hưởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm năng suất sinh Biogas.
So với vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt nhạy cảm với nhiệt
độ hơn.


11

- Độ pH
pH là chỉ số biểu thị môi trường axit hay kiềm. Nước có độ pH = 7
được coi là mơi trường trung tính. pH< 7 là mơi trường axit và pH > 7 là mơi
trường kiềm. Q trình phân giải kỵ khí có thể xảy ra trong giới hạn pH từ 6,2
tới 8,5. Vượt ra ngoài giới hạn này, q trình phân giải kỵ khí sẽ ngừng lại.
Giá trị tối ưu của pH là từ 6,8 đến 7,5.
- Thời gian lưu
Thời gian lưu (là khoảng thời gian lý thuyết mà một phần tử hoặc một

đơn vị chất lỏng đi vào và lưu tại hầm phân hủy). Đại lượng này được tính
bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể tích nguyên liệu đi vào hầm
trong 1 ngày, đơn vị thời gian lưu nước là ngày.
Vd (Thể tích hầm phân hủy (m3))
T (ngày)

=

L(Khối lượng nguyên liệu đầu vào (m3 /ngày))

Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát
triển chậm nhất có thể tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà
chất rắn trong hầm đảm bảo được tính ổn định tốt. Nếu thời gian lưu chỉ cịn
một nửa so với u cầu, lượng khí Biogas sinh ra sẽ giảm và q trình phân
hủy khi đó sẽ ngưng trệ do số lượng vi khuẩn cấy được giảm đến giá trị mà
chúng khơng cịn hiệu quả nữa. Nếu thời gian lưu nước lớn hơn 10 ngày, ở
nhiệt độ 350C, lượng Biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu có
tăng lên nữa thì lượng Biogas cũng khơng tăng thêm nhiều. Do đó, thời gian
lưu càng lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp.
Thời gian lưu và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng đối với việc loại trừ
các tác nhân gây bệnh. Nếu yếu tố an toàn vệ sinh và sức khỏe được xem xét
đến thì các giá trị này phải lớn hơn ngưỡng giá trị nhỏ nhất.
Quá trình phân hủy hoặc lên men của chất hữu cơ dưới điều kiện kỵ khí
diễn ra rất chậm, do đó những cơ chất này phải được duy trì trong hầm ủ


12

trong thời gian dài để quá trình phân hủy diễn ra hoàn toàn. Thời gian lưu
biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị hóa giải dưới điều kiện này. Trong

một số thiết kế hầm Biogas, phần tế bào hoạt tính ở đầu ra được tuần hồn lại
hầm phân hủy nhằm tăng thời gian lưu của phần sinh khối này.
Thời gian lưu của các nguồn cơ chất khác nhau được quyết định bởi khả
năng phân hủy sinh học của chúng, khả năng thích ứng với các enzym và tính
chất lý hóa của nguồn cơ chất. Thời gian lưu quyết định chi phí xây dựng hầm
ủ. Thời gian lưu càng cao, đồng nghĩa lượng khí sinh ra sẽ nhiều hơn nhưng
điều đó sẽ làm gia tăng chi phí đầu tư ban đầu của hầm ủ. Thời gian lưu ngắn
sẽ dẫn đến hiện tượng tổn thất sinh khối và gia tăng chi phí vận hành.
Thời gian phân hủy của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào
nhiệt độ. Ở giai đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một
khoảng thời gian lưu, nó tiến tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất. Đối với vi khuẩn
ưa nhiệt trung bình, thời gian phân hủy tối ưu khoảng 20-30 ngày. Đối với vi
khuẩn ưa nhiệt thời gian phân hủy chỉ từ 3-10 ngày. Chủng loại vi khuẩn này
có thể phân hủy tạo lượng khí nhiều hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn.
Như trên đã thấy tốc độ sinh khí phụ thuộc vào nhiệt độ, Nhiệt độ càng
cao thì tốc độ sinh khí càng lớn. Vì vậy người ta chọn thời gian lưu theo nhiệt
độ của địa phương về mùa đông để đảm bảo trong điều kiện bất lợi nhất biết
bị vẫn hoạt động hiệu quả. Ở Việt Nam ta chọn thời gian lưu ít nhất phải bằng
giá trị sau:
Bảng1.6: Thời gian nguyên liệu lưu lại trong hầm đối với phân động vật
Vùng

Nhiệt độ trung bình
về mùa đơng (0C)

Thời gian lưu
(ngày)

I

10-15

55

II

15-20

40

III

>20

30

Thời gian lưu đối với nguyên liệu thực vật thường được chọn là 100 ngày
Nguồn: Tài liệu hỏi đáp về cơng nghệ khí sinh học(2009) [8, tr.19]


13

- Tỷ lệ C/N
Để tạo điều kiện sinh trưởng và hoạt động tối ưu của vi khuẩn, điều cần
thiết là phải cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng dưới dạng các hợp chất hóa học
với nồng độ thích hợp. Cacbon và nitơ (có trong protein, nitrat…) là những
thành phần dinh dưỡng chính của vi khuẩn kỵ khí. Nguồn C sẽ cung cấp năng
lượng cho hoạt động vi khuẩn, N cần thiết cho quá trình tổng hợp tế bào. Để
hàm lượng N được cung cấp hợp lý, nguồn cơ chất đầu vào sẽ được xem xét
đến khái niệm tỷ lệ C/N. Khái niệm này được quan tâm từ rất sớm, với nguồn

cơ chất là phân bò, tỷ lệ C:N khoảng 15:1 - 25:1. Sau đó khái niệm này được
mở rộng đối với nhiều loại nguồn cơ chất khác nhau. Tuy nhiên với nhiều
nghiên cứu về sau, tỷ lệ này gần bằng với chỉ số biểu thị khả năng phân hủy
sinh học của cơ chất. Tỷ lệ C có khả năng phân hủy sinh học và lượng N có
sẵn trong cơ chất khoảng 25:1 là điều kiện lý tưởng của quá trình phân hủy
tạo Biogas. Lý do: vi khuẩn kỵ khí khơng thể sử dụng hết tất cả nguồn C
trong cơ chất đầu vào và một cách tương tự, không phải tất cả dạng tồn tại N
trong cơ chất đi vào hầm phân hủy đều có giá trị với vi khuẩn, đặc biệt là vi
khuẩn metan hóa. Vi khuẩn lên men sử dụng nguồn C nhanh gấp 25-30 lần so
với N, do đó tỷ lệ C:N tối ưu địi hỏi phải từ 25-30:1. Khi tỷ lệ này bị thay
đổi, hiệu quả của quá trình phân hủy sẽ bị giảm.
Nếu tỷ lệ C/N quá cao, lượng N sẽ bị vi khuẩn mêtan hóa tiêu thụ
nhanh để tổng hợp protein của chúng và sẽ khơng cịn đủ để phản ứng với
lượng C cịn lại trong ngun liệu, do đó lượng khí Biogas sinh ra sẽ thấp.
Mặt khác nếu tỷ lệ C/N quá thấp, thành phần N sẽ giải phóng và tích lũy dưới
dạng amoni (NH4). NH4 sẽ làm tăng pH trong hầm phân hủy. pH cao hơn 8,5
sẽ là một yếu tố gây cản trở hoạt động của vi khuẩn metan hóa.


iv

2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29
2.3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 30
2.3.1. Phương pháp chọn điểm nghiên cứu ..................................................... 30
2.3.2. Phương pháp thu thập số liệu ................................................................ 30
2.4. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................. 31
2.4.1. Phương pháp thống kê mô tả................................................................. 31
2.4.2. Phương pháp so sánh............................................................................. 31
2.4.3. Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia .......................................... 31
2.5. Hệ thống chỉ tiêu nghiên cứu ................................................................... 32

Chương 3. 33KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 33
3.1. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội huyện Yên Sơn ............ 33
3.1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 33
3.1.2. Điều kiện kinh tế, xã hội ....................................................................... 34
3.2. Thực trạng tình hình áp dụng hầm Biogas của hộ chăn nuôi trên địa
bàn huyện Yên Sơn ............................................................................... 38
3.2.1. Khái quát về tình hình phát triển ngành chăn nuôi của huyện Yên Sơn......... 38
3.2.2. Thực trạng áp dụng công nghệ hầm Biogas trên địa bàn huyện Yên Sơn ........40
3.2.3. Thực trạng áp dụng công nghệ hầm khí Biogas ở các xã điều tra ........ 44
3.3. Thực trạng ứng dụng hầm Biogas ở các hộ điều tra ................................ 50
3.3.1. Tình hình chăn ni của các hộ điều tra ............................................... 50
3.3.2. Tình hình ứng dụng hầm Biogas của các hộ điều tra............................ 52
3.4. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc ứng dụng công nghệ hầm
khí Biogas trong chăn ni ở huyện n Sơn ...................................... 56
3.4.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 56
3.4.2. Yếu tố xã hội ......................................................................................... 56
3.4.3. Quy mô chăn nuôi ................................................................................. 57
3.4.4. Nguồn vốn ............................................................................................. 57
3.4.5. Yếu tố kỹ thuật, khả năng tiếp thu, ứng dụng công nghệ Biogas
của các hộ .............................................................................................. 58


15

Trong các thiết bị KSH hoạt động theo kiểu nạp liên tục hàng ngày,
quá trình phân giải sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi mơi trường có hàm
lượng chất khô tối ưu vào khoản 7-10%. Khi nguyên liệu đầu vào có hàm
lượng chất khơ cao hơn giá trị tối ưu thì khi nạp nguyên liệu vào thiết bị KSH
cần phải pha thêm nước. Tùy theo hàm lượng chất khô của ngun liệu, tỷ lệ
pha lỗng thích hợp đối với chất thải động vật là 1-2lít/kg đối với phân

nguyên là 3 - 4lít/kg.
- Khuấy đảo dịch phân giải
Khuấy đảo dịch phân giải làm cho nguyên liệu mới nạp tiếp súc với vi
khuẩn khiến các phản ứng xảy ra mạnh hơn. Khuấy đảo cũng có tác dụng hạn
chế hình thành váng. Vì vậy khuấy đảo có tác dụng làm tăng năng suất sinh khí.
- Thành phần gây độc
Nồng độ cao của amonia, chất kháng sinh, thuốc trừ sâu, bột giặt và
kim loại nặng… là các yếu tố gây độc với VSV, ảnh hưởng đến khả năng sinh
khí Biogas. Tỷ lệ C/N thấp trong hỗn hợp đầu vào sẽ làm tăng hàm lượng
amonia. Chất kháng sinh sử dụng trong thức ăn của động vật hoặc khi tiêm
phịng cho động vật có thể gây ra các tác động tiêu cực đến khả năng sinh
Biogas thậm chí làm q trình sinh khí Biogas ngừng hẳn.
1.1.4. Vai trò của Biogas
Nước thải và chất thải trong sản xuất nơng nghiệp và sinh hoạt gia đình
là các hợp chất hữu cơ có phân tử lớn. Các chất này trong điều kiện nóng ẩm
sẽ phân hóa nhanh sinh ra năng lượng và các chất hữu cơ phân tử nhỏ hơn
hoặc các chất vô cơ. Trong điều kiện tự nhiện khơng được kiểm sốt và tập
trung thì q trình nay sẽ làm ơ nhiễm mơi trường từ đó tác động và ảnh
hưởng trực tiếp vào quá trình trao đổi chất của con người và các VSV khác.
Ngược lại nếu các chất thải đó được xử lý hợp lý sẽ tạo ra nguồn năng lượng
tái sinh hữu ích và các chất dinh dưỡng dễ hấp thụ hơn cho cây trồng và vật