ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Công Ngọc

ÁP DỤNG VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
CHẤT THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HẦM BIOGAS
KẾT HỢP HỒ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Công Ngọc

ÁP DỤNG VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
CHẤT THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HẦM BIOGAS
KẾT HỢP HỒ SINH HỌC
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỠNG DẪN KHOA HỌC:


người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện
luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường nói chung, Bộ
môn Công nghệ Môi trường nói riêng đã tạo điều kiện tốt cho tôi hoàn thành khóa
học này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ tôi trong suốt
quá trình học tập.

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013
Người thực hiện luận văn

Phan Công Ngọc

4


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
- Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2
- Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................2
- Nội dung nghiên cứu...............................................................................................2
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chất thải chăn nuôi – nguồn gốc, thành phần, tính chất
1.1.1. Chất thải rắn và lỏng...............................................................................4
1.1.2. Khí thải.....................................................................................................7
1.2. Ảnh hưởng chất thải chăn nuôi lợn đến môi trường...................................9
1.2.1. Ô nhiễm môi trường nước.......................................................................9
1.2.2. Ô nhiễm môi trường không khí..............................................................10
1.2.3. Ô nhiễm môi trường đất...........................................................................15
1.3. Công nghệ sinh học kị khí xử lý nước thải chăn nuôi..................................15

3.1.1.2. Quy mô chăn nuôi lợn.......................................................................37
3.1.1.3. Hiện trạng an toàn vệ sinh chăn nuôi lợn tại các hộ gia đình.........38
3.1.2. Thực trạng phát sinh chất thải chăn nuôi lợn quy mô hộ.....................40
3.1.2.1. Lượng phân.......................................................................................40
3.1.2.2. Nước thải...........................................................................................40
3.2. Phân tích và đánh giá hoạt động của hầm biogas composite, hồ sinh học.41
3.2.1. Hiện trạng hầm biogas composite tại các hộ gia đình...........................41
3.2.2. Hiện trạng hồ sinh học tại các hộ gia đình.............................................44
3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý của hầm biogas và hầm biogas kết hợp hồ sinh học
....................................................................................................................................46
3.3.1. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của một số hầm
biogas nghiên cứu...............................................................................................46
3.3.1.1. Tính chất nước thải đầu vào hầm biogas.........................................46
3.3.1.2. Tính chất nước thải đầu ra hầm biogas............................................47
3.3.1.3. Đánh giá hiệu quả xử lý của các hầm biogas nghiên cứu...............49
3.3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải hầm Biogas kết hợp hồ sinh học...53
3.3.2.1. Tính chất nước thải tại hồ sinh học..................................................53

6


3.3.2.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của các hệ thống hầm biogas kết hợp hồ
sinh học......................................................................................................................54
3.4. Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng chất thải sau hầm biogas và nước
tại hồ sinh học...........................................................................................................59
3.4.1. Mô hình thực nghiệm sử dụng nước xả sau hầm biogas.....................59
3.4.1.1. Mô hình thực nghiệm sử dụng nước xả sau hầm biogas tưới cây. . .59
3.4.1.2. Năng suất cây ớt trên các bình nghiên cứu.....................................61
3.4.2. Mô hình thực nghiệm sử dụng nước hồ sinh học tưới cây....................62
3.4.2.1. Quá trình sinh trưởng, phát triển cây ớt..........................................62

Bảng 3.4. Khối lượng phân và nước thải của lợn thải ra trong 1 ngày đêm
tại các hộ gia đình nghiên cứu.....................................................................41
Bảng 3.5. Một số thông tin về hầm biogas composite, hồ sinh học ở tại các hộ gia
đình nghiên cứu........................................................................................ 42
Bảng 3.6. Hoạt động của hầm biogas composite tại các hộ gia đình nghiên cứu.... 43
Bảng 3.7. Một số thông tin về hồ sinh học tại các hộ gia đình nghiên cứu............. 45

8


Bảng 3.8. Hiệu suất xử lý chất thải các hồ sinh học tại các hộ gia đình nghiên cứu
....................................................................................................................................45
Bảng 3.9. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các hầm biogas nghiên cứu
tại Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An............................................................................ 47
Bảng 3.10. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các hệ thống hầm biogas kết
hợp hồ sinh học nghiên cứu tại Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An.......... 53
Bảng 3.11. Quá trình phát triển cây ớt tại các bình sử dụng hỗn hợp nước xả với các
tỷ lệ khác nhau qua các tuần quan sát ...................................................54
Bảng 3.12. Năng suất quả thu được trên các bình thực nghiệm...............................59
Bảng 3.13. Quá trình sinh trưởng cây ớt khi sử dụng nước hồ sinh học tưới (B11) so
với khi sử dụng 100% nước kênh mương (B0)..................................... 61
Bảng 3.14. Năng suất quả thu được trên các bình thực nghiệm khi được tưới bón
bằng nước hồ sinh học so với bình đối chứng..................................... 62

9


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển các nhóm VSV trong lên men mêtan..................... 15
Hình 1.2. Sơ đồ cơ chế tạo mêtan từ chất hữu cơ..................................................... 17

Hình 3.13. Biểu đồ tăng trưởng kích thước cây ớt tại các bình sử dụng hỗn hợp
nước xả với các tỷ lệ khác nhau qua các tuần quan sát......................... 62

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

BOD

Nhu cầu ôxy sinh hóa, mg/l (Biochemical Oxygen Demand)

COD

Nhu cầu ôxy hóa học, mg/l (Chemical Oxygen Demand)

DO
USEPA
KSH
QCVN
SS

Nồng độ ôxy hòa tan, mg/l (Dissolved Oxygen)
Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (United States Environmental
Protection Agency)
Khí sinh học
Quy chuẩn Việt Nam
Chất rắn lơ lửng, mg/l (Suspended Solid)


Làm hầm biogas trong các hộ gia đình. Sử dụng biogas phục vụ cho đun nấu, thắp
sáng trong gia đình, đồng thời chất thải của động vật nuôi còn chất hữu cơ được xử
lý trong hầm kín, tránh được mùi hôi thối, xử lý ô nhiễm và chất cặn bã có thể sử
dụng làm phân bón. Giải pháp sử dụng hầm biogas ở nông thôn thực sự là một giải
pháp hiệu quả.
Nghệ An là một tỉnh nông nghiệp có nhiều điểm đặc trưng cho nông thôn
Việt Nam. Theo thống kê cho thấy, tiềm năng phát triển các mô hình biogas ở Nghệ
An quy mô hộ gia đình và quy mô công nghiệp là rất lớn. Tính đến ngày 1/10/2010,
toàn tỉnh có 308.567 con trâu, 395.973 con bò, 1.169.574 con lợn, 14.939.400 con
gia cầm, hàng chục ngàn con dê và hươu nai, hàng năm thải ra môi trường
7.184.592 tấn chất thải rắn, 4.665.585 tấn chất thải lỏng và hàng trăm triệu mét khối
chất thải khí [23]. Nếu không được xử lý, lượng chất thải trên sẽ gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng, không chỉ ở các trang trại có quy mô chăn nuôi lớn mà còn cả
ở chăn nuôi quy mô hộ gia đình.

12


Đánh giá nhanh cho thấy, nếu được đưa vào sản xuất biogas, sẽ cho trên 538
triệu m3 khí sinh học/năm, tương đương khoảng 393 triệu lít xăng, trên 3 tỷ kWh
điện hoặc 2 triệu tấn gỗ củi (Khoảng 1,7 tỷ m 3 gỗ), tương đương hàng chục nghìn
hecta rừng bị phá/năm [23].
Tại Nghệ An việc áp dụng biogas vào việc xử lý chất thải đã hình thành từ
nhiều năm về trước và ngày càng phát triển thêm nhiều hầm biogas tại khắp các địa
phương trong tỉnh. Tuy nhiên, thực tế vận hành các hầm biogas còn có nhiều vấn đề
phát sinh, nước thải, chất thải, khí thải sau xử lý chưa được tối ưu hoá và việc
nghiên cứu khắc phục vấn đề này chưa được chú trọng, chính vì vậy đề tài: “Áp
dụng và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết
hợp hồ sinh học” được thực hiện.
* Mục tiêu nghiên cứu

 Hiệu quả xử lý chất thải hầm biogas kết hợp hồ sinh học.
4. Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng nước thải sau hầm biogas và sau hồ sinh
học.

14


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chất thải chăn nuôi – nguồn gốc, thành phần, tính chất
1.1.1. Chất thải rắn và lỏng
* Phân
Là những thành phần từ thức ăn, nước uống mà cơ thể gia súc không hấp thụ
được và thải ra ngoài cơ thể. Trong phân chứa một lượng lớn các chất như Nitơ,
Phốt pho, Kali, Kẽm, Đồng. Các khoáng chất dư thừa cơ thể không sử dụng như
P2O5, K2O, CaO, MgO phần lớn đều xuất hiện trong phân. Tùy theo loại gia súc,
thức ăn, độ tuổi, khẩu phần ăn khác nhau mà lượng phân thải ra cũng sẽ khác nhau
cả về khối lượng lẫn thành phần. Gia súc ở những độ tuổi khác nhau có khả năng
tiêu hoá và nhu cầu cơ thể khác nhau. Do vậy, lượng phân thải ra trong một ngày
đêm sẽ không giống nhau.
Bảng 1.1. Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm
Phân
kg/con.ngđ

Nước tiểu
kg/con.ngđ

Trâu

18 – 25


2,0 – 4,0

Dê

1,5 – 2,5

0,6 – 1,0

Loại gia súc

(Lăng Ngọc Huỳnh, 2001)
Thành phần hóa học của phân phụ thuộc nhiều vào dinh dưỡng, tình trạng
sức khỏe, cách nuôi dưỡng, chuồng trại, loại gia súc, gia cầm…

15


Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của các loại phân gia súc, gia cầm
Phân loại
gia súc, gia
cầm
Trâu

Bò
Lợn
Gà

Mức

Nitơ (%)

1,800
1,900

0,205
0,115
0,171
0,294
0,164
0,227
0,900
0,450
0,850
0,950
0,450
0,850

1,600
1,129
1,360
0,992
0,424
0,958
0,600
0,350
0,580
1,720
1,210
1,421

20


g/kg

0,66 – 0,76

N tổng

g/kg

7,99 – 9,32

Chất xơ

g/kg

151 – 261

Carbonnatri

g/kg

0,23 – 2,11

Các axit béo mạch ngắn

g/kg

3,83 – 4,47

pH

Streptococcus
Ascarie cumbricoides
Mycobacterium
Tubecudsis
Corynerbarterium
Diptheriac
Polio virus Hominis
Coiardia lomblia
Trichuris trichiura

Thương hàn
Phó thương hàn
Lị
Tả
Viêm dạ dày, ruột
Viêm gan
Sán
Ung nhọt
Sinh mủ
Giun đũa
Lao
Bạch hầu
Bại liệt
Sởi
Giun tóc
Sán bò
Sán lợn

Điều kiện tiêu diệt
Thời gian

55
10
60
30
60
30
(Lê Trình, 1997)

* Xác súc vật chết
Xác súc vật chết do bệnh luôn là nguồn gây ô nhiễm chính cần phải được xử
lý để nhằm tránh lây lan cho con người và vật nuôi.
* Thức ăn thừa, vật liệu lót chuồng và các vật chất khác
Loại chất này có thành phần đa dạng gồm: Cám, bột ngũ cốc, bột tôm, bột
cá, các khoáng chất bổ sung, rau xanh, các loại kháng sinh, rơm rạ,…
* Nước thải chăn nuôi

17


Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước thải của gia súc, nước vệ sinh
gia súc, chuồng trại. Đây là một nguồn chất thải ô nhiễm nặng.
Mức độ ô nhiễm chất thải chăn nuôi khác nhau tùy theo cách thức làm vệ
sinh chuồng trại khác nhau (Có hốt phân hay không hốt phân trước khi tắm rửa, số
lần tắm rửa cho gia súc và vệ sinh chuồng trại trong một ngày…).
Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải từ các ngành
công nghiệp khác (Axít, kiềm, kim loại nặng, chất ôxy hóa, hóa chất công nghiệp,
…) nhưng chứa nhiều vi khuẩn, ấu trùng, giun sán có nguy cơ gây ra nhiều ảnh
hưởng xấu tới sức khoẻ con người.
Trong nước thải, chất hữu cơ chiếm 70 – 80% gồm cellulose, protit, axít
amin, chất béo, hydrat cacbon. Các chất vô cơ chiếm 20 – 30% gồm cát, đất, muối,

NH 3

Protein

H 2S
Indole Scatole phenol
Axít hữu cơ mạch ngắn

Quá trình phân giải urê:
CO(NH2)2 + 2H2O

(NH4)2CO3

(NH4)4CO3 ít bền vững nên dễ bị phân hủy tiếp
(NH4)2CO3

2NH3 + CO2 + H2O

* Phân loại khí chuồng nuôi
Theo Trương Thanh Cảnh [2], các khí sinh ra từ chăn nuôi được chia thành
các nhóm sau:
+ Nhóm các khí kích thích: Những khí này có tác hại gây tổn thương đường hô hấp
và phổi, đặc biệt là gây tổn thương niêm mạc của đường hô hấp. Nhất là NH 3 gây
nên hiện tượng kích thích thị giác, làm giảm thị lực.
+ Nhóm các khí gây ngạt: Các chất khí gây ngạt đơn giản (CO 2 và CH4): Những
chất khí này trơ về mặt sinh lý. Đối với thực vật, CO 2 có ảnh hưởng tốt, tăng cường
khả năng quang hợp. Nồng độ CH 4 trong không khí từ 45% trở lên gây ngạt thở do
thiếu ôxy [2]. Khi hít phải khí này có thể gặp các triệu chứng nhiễm độc như: Co
giật, ngạt, viêm phổi.
Các chất khí gây ngạt hóa học (CO): Là những chất khí gây ngạt bởi chúng

(mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l)

pH

T0C

Vĩnh Phúc

7,32

29

4590

967,3

870

295

9520

Hưng Yên

7,87

30,5

3584


7219

247

237

120

3200

(Viện Công nghệ Môi trường Hà Nội, 2012)
Ngoài ra, trong phân gia súc, gia cầm còn chứa nhiều loại vi khuẩn, vi trùng
hoặc trứng giun sán (Bảng 1.4). Chúng sẽ là nguồn gây bệnh cho con người cũng
như những động vật khác.

20


Bên cạnh đó, nước thải chăn nuôi có thể thấm xuống đất vào mạch nước
ngầm gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đặc biệt là những giếng mạch nông gần
chuồng nuôi. Khi phân hủy, thức ăn gia súc là những hợp chất hữu cơ dễ bị phân
hủy sinh học, giàu Nitơ, Phốt pho và một số thành phần khác, tạo ra nhiều hợp chất
như: Axít amin, axít béo, các chất khí CO 2, CH4, H2S, NH3 gây mùi khó chịu và độc
hại. Đồng thời, sự phân hủy những hợp chất này còn làm thay đổi pH tạo điều kiện
bất lợi cho quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm.
Quá trình chuyển hóa urê trong nước tiểu động vật cũng góp phần đáng kể
trong việc gây ô nhiễm môi trường nước.
Enzyme ureaza
CO(NH2)2 + 2H2O



Bảng 1.6. Chất lượng không khí chuồng nuôi của một số xí nghiệp quốc doanh
Hàm lượng chất gây ô nhiễm (mg/m3)
Bụi
NH3
H2S
Xí nghiệp giống cấp 1
Khu vực văn phòng
0,250
0,120
0,060
Khu vực chăn nuôi
0,300
0,640
1,100
Xí nghiệp chăn nuôi lợn Phước Long
Khu vực văn phòng
0,420
0,300
0,076
Khu vực chăn nuôi
0,300
3,420
3,470
Xí nghiệp chăn nuôi lợn 3/2
Khu vực văn phòng
0,320
0,040
0,072
Khu vực chăn nuôi

Aldehydes,ketones

H2O, CO2, hydrocarbon mạch ngắn
Aldehydes và ketones

H2O, CO2 và CH4

Bảng 1.7. Đặc điểm các khí sinh ra khi phân hủy kị khí
Giới hạn
tiếp xúc

Loại khí

Mùi

Đặc điểm

NH3

Mùi hăng,
xốc

Nhẹ hơn
không khí

20 ppm

CO2

Không

Tác hại
Kích thích mắt và đường hô hấp
trên gây ngạt ở nồng độ cao, dẫn
đến tử vong
Gây uể oải, nhức đầu, có thể gây
ngạt dẫn đến tử vong ở nồng độ
cao
Là khí độc gây nhức đầu, chóng
mặt, buồn nôn, bất tỉnh, tử vong
Gây nhức đầu, gây ngạt, gây nổ ở
nồng độ 5 - 15% trong không khí.


* Ảnh hưởng của khí NH3
Trong chăn nuôi lợn, lượng nước tiểu sinh ra chủ yếu là khí NH 3. Chất khí
này ở nồng độ cao kích thích mạnh lên niêm mạc, mặt, mũi, đường hô hấp dễ dị ứng
tăng tiết dịch, hay gây phỏng do phản ứng kiềm hóa kèm theo tỏa nhiệt, gây co thắt
khí quản và gây ho. Đặc biệt, nó có thể hủy hoại đường hô hấp, từ phổi vào máu,
lên não gây nhức đầu và có thể dẫn đến hôn mê. Trong máu, NH 3 bị ôxy hóa tạo
thành NO2 làm hồng cầu trong máu chuyển động hỗn loạn, ức chế chức năng vận
chuyển ôxy đến các cơ quan, làm cho trẻ bị xanh xao, trường hợp nặng có thể gây
thiếu ôxy ở não, dẫn đến nhức đầu, mệt mỏi, hôn mê thậm chí có thể tử vong [27].
Bảng 1.8. Tác hại của amoniac lên người, gia súc, gia cầm
Đối tượng

Người

Lợn

Gà

phổi, ngất, có thể tử vong

> 10000 ppm

Tử vong

> 10 ppm

Gia tăng tỷ lệ gia súc bị ho

50 – 100 ppm

Giảm tăng trọng/ngày: 12 -13%

61 ppm

Giảm 5% lượng ăn

> 30 ppm

Giảm sản lượng trứng và thịt

30 ppm

Gây hội chứng viêm phổi
(Dương Nguyên Khang, 2004)

* Ảnh hưởng của khí H2S

23

300 ppm/30 phút

Lợn

> 600 ppm
Liên tục tiếp xúc với
20 ppm
Liên tục tiếp xúc với
200 ppm

Choáng váng, thần kinh suy nhược, dễ
gây viêm phổi
Nôn mửa trong trạng thái hưng phấn, bất
tỉnh
Mau chóng tử vong
Sợ ánh sáng, ăn không ngon, có biểu
hiện thần kinh không bình thường
Có thể sinh chứng thuỷ thủng ở phổi nên
khó thở và có thể trở nên bất tỉnh, chết
(Barker và cộng tác viên, 1996)

* Ảnh hưởng của khí CH4
Khí mêtan là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu
cơ dễ phân hủy trong chất thải chăn nuôi. CH4 là khí không màu, không mùi, có thể
cháy. Trong không khí nếu nồng độ CH4 chiếm từ 45% trở lên thì sẽ gây ngạt thở
do thiếu ôxy. Nếu tiếp xúc với CH 4 ở nồng độ 40000 mg/m3 sẽ dẫn đến tai biến cấp

24



25