CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, chăn nuôi đóng góp khoảng 40% tổng GDP nông nghiệp toàn cầu, nó đã cung cấp lượng thực phẩm thiết yếu đáp ứng nhu cầu của loài người. Tuy nhiên, ngành chăn nuôi cũng đã gây nên nhiều ảnh hưởng xấu đến môi trường. Ngoài chất thải rắn và nước thải gây ô nhiễm đất, không khí và nguồn nước, chăn nuôi hiện đóng góp khoảng 18% hiệu ứng nóng lên của trái đất do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính, trong đó có 9% tổng số khí carbonic sinh ra, 37% khí methane và 65% oxit nitơ (An, 2011).
Những chất thải này sẽ tiếp tục tăng lên trong thời gian tới. Việt Nam là nước nằm trong khu vực có mật độ chăn nuôi lớn nhất trên thế giới và chất thải chăn nuôi đang trở thành vấn nạn quốc gia. Với số đầu gia súc gia cầm hiện nay, hàng năm ngành chăn nuôi thải khoảng 80 triệu tấn chất thải rắn, đó là chưa kể hàng chục tỉ khối nước thải và vài trăm triệu tấn khí thải ra môi trường. Theo Gerber (2005), hàng năm, khoảng 6,3 tấn nitơ và 4,0 tấn phốt pho/km2 ở đồng bằng sông Hồng và 7,2 tấn nitơ và 3,2 tấn phốt pho ở Đồng bằng sông Cửu Long có nguồn gốc từ phân chăn nuôi.
Chưa hết, do nhu cầu xã hội, số vật nuôi cần tăng 5-7% mỗi năm trong 10-15 năm tới. Đa số động vật nuôi được quản lí trong chăn nuôi gia đình với quy mô nhỏ và trung bình. Trong nhiều năm nay, việc xử lí chất thải chăn nuôi đã được các cơ quan quản lý quan tâm hơn, đã có một số chương trình/dự án hợp tác quốc tế về quản lí chất thải chăn nuôi. Tuy vậy cho đến nay, tỉ lệ các chất thải vật nuôi ở nước ta chưa được xử lí hay xử lí chưa triệt để vẫn còn rất cao.
Đã có một số công nghệ chế biến và xử lí phân chăn nuôi được ứng dụng ở Việt Nam như ủ phân hiếu khí composting, ủ kị khí làm khí sinh học biogas, xử lí với động vật làm phân bón và thức ăn động vật. Mặt khác, chất thải sau biogas còn được dùng làm thức ăn cho cá, trộn chung với thức ăn cho heo hoặc dùng thay phân bón trong nông nghiệp (Cục Chăn nuôi, 2011). Khi bón bằng phân hóa học, cây trồng chỉ hấp thụ 35 – 45% nitơ, 50 – 60% phốt pho và kali (Thu, 2007), do đó dư lượng phân thải ra môi trường là rất lớn, việc lạm dụng phân hóa học không chỉ dẫn tới dất bị bạc màu mà còn ảnh hưởng tới khả năng chống chịu của cây trước các điều kiện khí hậu ngày càng xấu đi như hiện nay. Phân bón 2 bằng bã thải biogas có thể thay thế phân bón hóa học mà không làm bạc màu đất mà còn tăng khả năng chống chịu sâu bệnh cũng như tăng năng suất của mùa vụ.
Do đó, nghiên cứu thực hiện phần nào góp phần đưa ra được các giải pháp khả thi nhằm tăng cường khả năng xử lí chất thải chăn nuôi, tái chế, tái sử dụng để tăng nguồn thu, giảm chi phí sản xuất, giảm ô nhiễm môi trường để phát triển ngành chăn nuôi một cách bền vững. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là xác lập sự cân bằng nguyên tố cacbon, nitơ và phốt pho tương tác sử dụng chất thải chăn nuôi trong sản xuất biogas và làm phân bón cho lúa từ cân bằng vật chất định lượng chất dinh dưỡng tồn dư thải ra môi trường. Nội dung của nghiên cứu bao gồm: Khảo sát quá trình sinh khí và chuyển hoá các nguyên tố cacbon (C), nitơ (N) và phốt pho (P) trong quá trình phân hủy kị khí ở bể biogas. So sánh sự tăng trưởng của cây lúa khi dùng phân hóa học; dùng chất thải sau biogas; dùng chất thải sau biogas có bổ sung thêm các chất dinh dưỡng cần thiết và để lúa mọc theo tự nhiên, không bón bất kỳ loại phân nào.
Xác định lượng tố cacbon, nitơ và phốt pho đầu vào và ra cho sản xuất biogas từ phân bò và sử dụng chất thải từ bể biogas làm phân bón hóa học. Tính mới của đề tài Có nhiều nghiên cứu về sản lượng khí biogas sinh ra với các loại cơ chất khác nhau như mật rỉ đường, chất thải hữu cơ, khoai mì, … nhưng chưa có nhiều nghiên cứu chỉ ra con đường chuyển hoá của các nguyên tố trong nông nghiệp với sự kết hợp quy trình vườn – ao – chuồng – biogas hiện nay (VACB). Do đó, đề tài nghiên cứu này giúp hiểu rõ phần nào con đường chuyển hoá của các nguyên tố tố cacbon, nitơ và phốt pho bằng cách đo đạc các nguyên tố ngay trong phân tươi, từ lượng khí biogas sinh ra theo thời gian và sự tăng trưởng của cây lúa trong chu trình. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về khoa học, việc phát triển nông nghiệp theo hướng sử dụng phân bón có nguồn gốc hữu cơ làm giảm phát thải các chất hoá học bền vững và độc hại ra môi trường.
3 Mặt khác, việc tận dụng chất thải chăn nuôi trong biogas lấy khí đốt làm giảm chi tiêu cho nông dân và giảm phát thải khí nhà kính. Kết quả của mô hình làm tiền đề để phát triển nông nghiệp theo hướng sinh thái, bảo vệ môi trường và tăng năng suất của cây trồng. Là cơ sở để phát triển thị trấn sinh khối tại xã Thái Mỹ huyện Củ Chi. Tính thực tiễn của đề tài Hiện nay, tình trạng sử dụng phân bón hoá học quá mức làm cho đất nông nghiệp trở nên cằn cỗi do đó cần phải tìm nguồn phân bón khác thay thế.
Từ các thập niên trước nông dân đã sử dụng phân gia súc đã qua ủ hoai bón cho cây trồng, tuy nhiên lượng trứng giun sán và các vi sinh vật gây hại còn cao dễ gây bệnh tiêu chảy cho cộng đồng. Một số hộ nông dân cũng đã sử dụng chất thải sau biogas bón cho cây trồng, tuy nhiên phần lớn còn mang tính tự phát. Nghiên cứu đưa ra cơ sở để nông dân áp dụng việc sử dụng chất thải biogas bón cho lúa thay thế cho phân bón hoá học. Tổng quan về bể biogas 2.
Tình hình ứng dụng biogas ở Việt Nam Kỹ thuật biogas được phát triển tại Việt Nam từ năm 1960 có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, tập trung vào lĩnh vực công nghệ biogas. Từ năm 1992, trong chương trình dự án của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn với sự hỗ trợ của các tổ chức như FAO, SAREC, SIDA và Viện Chăn nuôi nông nghiệp Quốc gia, trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM đã phát triển mô hình bể ủ biogas dạng túi (Cục Chăn nuôi, 2010). Với ưu thế về chi phí đầu tư thấp, kỹ thuật lắp đặt và vận hành đơn giản, kỹ thuật này đã nhanh chóng được chấp nhận và nhân rộng bởi Hội Làm vườn Việt Nam và các tổ chức cá nhân khác. Trong Chương trình Quốc gia về cấp nước và vệ sinh môi trường nông thôn, Trung tâm hỗ trợ Phát triển Nông thôn đã phát triển mô hình bể ủ nắp vòm, cố định với nắp bể dạng hình bán cầu, cấu tạo từ vật liệu composite và xi măng lưới thép (mô hình bể ủ Biogas Thái Lan – Đức (Cục Chăn nuôi, 2011).
Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam - dự án liên kết của Chính phủ Việt Nam và Cục Chăn nuôi- Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan đã hỗ trợ nông dân xây dựng 18.000 bể biogas trong giai đoạn 1 (2003 – 2005) tại 12 tỉnh thành của 8 vùng sinh thái; 27.000 bể vào cuối năm 2006 và đến cuối năm 2007, hơn 16.000 bể sẽ được xây dựng. Trong giai đoạn 2 (2008 – 2011), chương trình BP dự kiến sẽ mở rộng ra trên hơn 50 tỉnh, thành trong tổng số 64 tỉnh thành của Việt Nam với số lượng khoảng 14. Hiện nay, trên cả nước có khoảng 150.000 bể ủ biogas, hầu hết thuộc dạng bể ủ nắp vòm cố định và dạng túi (Cục chăn nuôi, 2011). Các loại bể biogas ở Việt Nam Việc lựa chọn loại bể biogas căn cứ vào ưu, nhược điểm, phạm vi áp dụng và điều kiện của người ứng dụng (địa điểm xây dựng, vật liệu, thợ xây).
- Loại nắp chứa khí nổi và loại có bộ phận tích khí tách riêng có giá thành cao nhưng thích hợp với qui mô lớn, trang trại. 5 - Loại bể biogas sử dụng túi chất dẻo rẻ nhất, dễ lắp đặt nhưng tuổi thọ không bền, mức độ an toàn thấp, tốn diện tích mặt bằng, hoạt động chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết, điều kiện ngoại vi như chuột, dán… - Loại nắp cố định có nhiều ưu điểm nhưng chỉ thích hợp với qui mô gia đình. Hiện nay loại này phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Ấn Độ, … và Việt Nam. Loại thiết bị nắp cố định hiện nay có rất nhiều kiểu, việc lựa chọn kiểu nào phải căn cứ vào các yếu tố: Tính khoa học, hợp lý; điều kiện của địa phương; trình độ thợ xây; giá thành và quy mô chăn nuôi của hộ gia đình.
Một số loại bể phổ biến ở Việt Nam: Hình 2.1 Các loại bể biogas phổ biến ở Việt Nam a) Bể biogas có nắp chứa khí nổi Đầu vào Đầu ra Phần chứa khí Ngăn lắng Ngăn phân huỷ 1 Ngăn phân huỷ 2 Hình 2.2 Mô hình bể thu khí dạng nổi 6 Kiểu bể này hiện nay còn áp dụng ở một số tỉnh (Đồng Nai, Tiền Giang. Đặc tính kỹ thuật của kiểu bể dạng này là nắp bể chứa khí bằng thép, úp vào một khe chứa nước quanh cổ bể phân huỷ. b) Bể Biogas có túi chứa khí tách riêng Hình 2.3 Bể biogas dạng túi nilong Mô hình này được áp dụng rộng rãi trong những năm 2000 do dễ lắp đặt và giá thành rẻ tuy nhiên mô hình này do gặp nhiều bất lợi như túi dễ bị rách, phân trong túi mau đầy. c) Bể biogas dạng nắp cố định Kiểu RDAC (mới) Trung tâm tư vấn hỗ trợ phát triển nông thôn (RDAC, 2002) đã thay đổi bể phân huỷ hình trụ thành hình hộp, nắp bán cầu composite, lối ra được mở rộng.
Loại này tuy dễ xây dựng, vòm kín khí, nhưng giá thành cao, các thông số kỹ thuật chưa hợp lý, nhiều nhược điểm. Loại hình trụ: có 2 kiểu Kiểu RDAC cũ (hình 2.4) bể phân huỷ hình trụ, xây gạch, vòm chứa khí bằng composite hoặc xi măng lưới thép. Kiểu này do RDAC thiết kế, xây dựng theo cách thông thường, vòm chứa khí bảo đảm kín khí, hạn chế váng.