ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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:

PGS.TS: Trịnh Thị Thanh

Hà Nội - 2013

-1-


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
- Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2
- Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 2
- Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 2
Chƣơng 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

Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thực trạng chăn nuôi và phát sinh chất thải quy mô hộ gia đình tại xã
Nam Anh, Nam Đàn, Nghệ An .............................................................................. 36
3.1.1. Thực trạng chăn nuôi lợn ....................................................................... 36
3.1.1.1. Một số đặc trưng trong quy trình chăn nuôi lợn hộ gia đình .......... 36
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

-3-


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 nƣớc
tại hồ sinh học ......................................................................................................... 59

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.

-5-


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 m3 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
- Đánh giá hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi lợn bằng hầm biogas kết hợp hồ sinh
học.


Hiệu quả xử lý chất thải hầm biogas.



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.

-7-


Chƣơng 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. Lƣợng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm
Phân
kg/con.ngđ

Nƣớc tiểu

0,7 – 2,0

Lợn 45-100kg

3,0 - 5,0

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…

-8-


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

0,380
0,302
0,341
1,200
0,450
0,840
2,000
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

Vật chất khô

g/kg

213 – 342

NH4 - N

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


Shigella spp
Vibrio Cholera
Escherichia coli
Hepatite A
Tenia Soginata
Micrococcus var
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

55
45
65
30
45
10
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

- 10 -


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…).


Axít lactic + NH3

Serine

Axít pyruvic + NH3
NH3

Protein

H2 S
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 NH3 gây
nên hiện tượng kích thích thị giác, làm giảm thị lực.

của khu vực). Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải chăn nuôi của Viện
Công nghệ Môi trường Hà Nội [34] cho thấy nồng độ chất ô nhiễm ở một số trại lợn
khu vực phía bắc là rất cao.
Bảng 1.5. Thành phần nƣớc thải ở một số trại lợn khu vực phía bắc
COD
T-N N-NH4+ T-P
SS
(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


Hà Nội

7,5

32

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.

- 13 -


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 CO2, CH4, H2S, NH3 gây mùi khó chịu và độc

trường, sức khỏe con người và các loài động vật khác.
Theo kết quả phân tích chất lượng môi trường không khí ở một số xí nghiệp
chăn nuôi quốc doanh của Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam [35] cho thấy
môi trường không khí trong khu vực chăn nuôi và văn phòng bị ô nhiễm nặng.

- 14 -


Bảng 1.6. Chất lƣợng không khí chuồng nuôi của một số xí nghiệp quốc doanh
Hàm lƣợng 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

Mỡ

Alcoho

Axít béo

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


1000 ppm

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.
(Trương Thanh Cảnh, 2002)

- 15 -


* Ảnh hưởng của khí NH3
Trong chăn nuôi lợn, lượng nước tiểu sinh ra chủ yếu là khí NH3. 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, NH3 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 ngƣời, gia súc, gia cầm
Đối tƣợng

5000 – 10000 ppm (vài
phút)

Gây khó thở, ngạt thở, xuất huyết
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



Ngứa mắt, mũi, họng

50 – 100 ppm/20 phút Nôn mửa, tiêu chảy
Người

Lợn

200 ppm/giờ

Choáng váng, thần kinh suy nhược, dễ
gây viêm phổi

300 ppm/30 phút

Nôn mửa trong trạng thái hưng phấn, bất
tỉnh

> 600 ppm
Liên tục tiếp xúc với
20 ppm

Mau chóng tử vong
Sợ ánh sáng, ăn không ngon, có biểu
hiện thần kinh không bình thường

Liên tục tiếp xúc với
200 ppm

Có thể sinh chứng thuỷ thủng ở phổi nên

sẽ bị viêm đường hô hấp, đặc biệt khi hít phải các bụi có kích thước < 5 µm (Hạt
bụi nhỏ nên mũi không lọc được) sẽ kích thích tiết dịch và ho, rối loạn hô hấp và
tổn thương niêm mạc, tạo điều kiện cho vi sinh vật gây bệnh vào cơ thể người [27].
1.2.3. Ô nhiễm môi trường đất
Chất thải chăn nuôi không qua xử lý, được mang đi sử dụng cho trồng trọt
như tưới nước, bón cho cây, rau, củ,…Những thực phẩm này làm thức ăn cho người
và động vật rất nguy hiểm. Nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng tồn tại của mầm
bệnh trong đất, cây cỏ có thể gây bệnh cho con người và gia súc; đặc biệt là các
bệnh về đường ruột như thương hàn, phó thương hàn, viêm gan, giun sán,…

- 18 -


1.3. Công nghệ sinh học kị khí xử lý nƣớc thải chăn nuôi
1.3.1. Cơ chế của quá trình lên men kị khí
Quá trình lên men kị khí chất thải hữu cơ trong điều kiện kị khí là một quá
trình diễn ra phức tạp liên quan đến hàng trăm phản ứng, chất trung gian và mỗi
phản ứng sẽ được xúc tác bởi một loại enzyme hay chất xúc tác.
Phương trình chuyển hóa chất hữu cơ đã được đơn giản hóa như sau:
Lên men kị khí
Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q

2.1.1.1. Quá trình phát triển của vi khuẩn kị khí

Hình 1.1. Biểu đồ sự phát triển các nhóm VSV trong lên men mêtan.
(Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003)
Vi sinh vật (VSV) hấp thu thức ăn trong môi trường để tăng trưởng. Vậy, sự
tăng trưởng của tế bào VSV là sự tăng trưởng về số lượng của các cấu tử trong tế

Clotridium spp, Peptoccocu anaerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp,
Corynebactorium spp, Lactobacillus, Actinomyces và Staphylococcus [16].
Các vi khuẩn sinh mêtan trong mẻ phản ứng bao gồm:
(1) Nhóm vi khuẩn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus).
(2) Nhóm vi khuẩn hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina).
2.1.1.2. Quá trình phản ứng sinh hóa

- 20 -


Toàn bộ quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ xảy ra trong quá trình lên men
kị khí được thể hiện theo sơ đồ sau:

Hình 1.2. Sơ đồ cơ chế tạo mêtan từ chất hữu cơ
(Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003)
Quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ được chia làm 3 giai đoạn:
(1) Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử.
(2) Tạo nên axít và H2.
(3) Tạo mêtan.

- 21 -


Hình 1.3. Sơ đồ ba giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí
(Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003)
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Phân giải các chất hữu cơ và chất hữu cơ chứa polymer hữu cơ cao phân tử
như protein, cacbohydrate, chất béo, lignin,… Phần lớn trong số các polymer cao
phân tử này được phân hủy bởi các enzyme ngoại bào của vi khuẩn tạo thành những
chất có phân tử lượng nhỏ hơn và có khả năng tan trong nước. Sản phẩm của giai


CH4 + HCO3 - + năng lượng

4H2 + HCO3 - + H+

CH4 + 3H2O + năng lượng

Phần mêtan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ ethanol, axít formic
nhưng phần này không quan trọng vì phần này chiếm số lượng ít trong quá trình lên
men kị khí. Theo một số tài liệu tham khảo khác nhau lượng khí sinh ra như sau:
Bảng 1.10. Thành phần khí biogas theo các tài liệu khác nhau
Tỷ lệ %
Theo Chongrak
Polpraset, 1989

Trung tâm ngành
nƣớc và môi
trƣờng, 1999

Theo Trần Hiếu
Nhuệ, 1992

CH4

55 – 65

55 – 75

65 – 76


Ít

H2 S

-

Ít

Ít

Thành phần

1.3.2. Một số yếu ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mêtan
Để sinh trưởng và phát triển, tất cả VSV đều có nhu cầu chung: Nước, nguồn
năng lượng, nguồn C, nguồn N và hợp chất khoáng. Đây là những yếu tố cơ bản cần

- 23 -


cho sự sinh trưởng, mà chúng không tự tổng hợp được, ta gọi đó là các nhân tố tăng
trưởng. Ngoài ra các nhân tố vật lý có thể tham gia vào quá trình dinh dưỡng, chúng
có thể cản trở, ức chế, hay tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng của các VSV
như: Nhiệt độ, pH, ôxy, áp suất, độ ẩm, ánh sáng và các tia mang năng lượng.
Sinh trưởng, sinh sản và trao đổi chất của VSV liên quan chặc chẽ với các
điều kiện bên ngoài, các điều kiện bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác
động qua lại với nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ kị khí:
* Mức độ kị khí
Khí sinh học được sinh ra do hoạt động của nhiều chủng loại vi khuẩn, trong
đó có vi khuẩn sinh mêtan là quan trọng nhất, những vi khuẩn sống trong môi

Tỷ lệ C/N thích hợp từ 25/1 – 30/1, bởi vì vi khuẩn sử dụng C nhiều hơn N từ 25 –
30 lần [13]. Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ
này quá thấp thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amoniac là một độc
tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao.
Nói chung, phân trâu bò, lợn có tỷ lệ C/N gần khoảng thích hợp. Phân người
và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thường có tỷ lệ C/N
cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu,
chẳng hạn dùng phân người, phân gia súc với rơm rạ…
Bảng 1.11. Tỷ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật

Nguyên liệu

Tỷ lệ C/N

Chất cặn hầm cầu

10/1 – 60/1

Nước tiểu

0,8/1

Phân bò, lợn

18/1

Phân gà

15/1