Ảnh hưởng của chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản xuất biogas từ phân lợn và chất lượng nước thải

Khám phá tác động của chất phụ gia tự nhiên đến quá trình sản xuất biogas từ phân lợn và chất lượng nước thải trong nghiên cứu chuyên sâu này.

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thanh Vân
• Trường học: Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Chăn nuôi
• 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
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. 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
• 1.1.2. Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam
• 1.2. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi lợn
• 1.3. Hiện trạng và dự báo về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam
• 1.4. Một số biện pháp quản lý chất thải chăn nuôi lợn
• 1.4.1. Sử dụng chất thải rắn để nuôi giun
• 1.4.2. Xử lý chất thải bằng dung dịch vi sinh vật hữu ích
• 1.4.3. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ phân hữu cơ
• 1.4.4. Xử lý chất thải bằng hệ thống hầm biogas
• 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
• 1.5.2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ sản xuất biogas
• 1.5.3. Những yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình sinh khí methane
• 1.5.4. Các công nghệ biogas phát triển ở Việt Nam
• 1.5.5. Một số biện pháp nâng cao khả năng xử lý bằng biogas
• 1.5.6. Đặc điểm và mục đích sử dụng chất thải sau biogas
• 1.6. Cơ sở khoa học của việc bổ sung một số chất phụ gia tự nhiên
• 1.6.1. Dịch dạ cỏ
• 1.6.2. Bùn ao tù
• 1.6.3. Nước thải sau biogas
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Bố trí thí nghiệm
• 2.4.2. Lấy mẫu và bảo quản mẫu nước thải
• 2.4.3. Phương pháp phân tích mẫu nước thải
• 2.4.4. Phương pháp xác định thể tích khí biogas
• 2.4.5. Phương pháp xác định nồng độ khí methane và thành phần khí biogas
• 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khả năng sinh khí biogas khi bổ sung một số chất phụ gia khác nhau
• 3.2. Khả năng sinh khí methane khi bổ sung một số chất phụ gia khác nhau
• 3.3. Kết quả phân tích một số thành phần trong nước thải sau biogas
• 3.3.1. Nhiệt độ nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.2. pH nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.3. Vật chất khô nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.4. Chất rắn dễ bay hơi nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.5. Oxy hóa học nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.6. Oxy sinh học nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.7. Nitơ nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.8. Phospho nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.3.9. Coliform nước thải đầu vào và đầu ra
• 3.4. Tiềm năng sinh khí còn lại của nước thải sau biogas
• 3.4.1. Hàm lượng chất rắn dễ bay hơi của nước thải sau biogas
• 3.4.2. Tiềm năng sinh khí biogas và methane trong mùa đông và mùa hè
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tác động của chất phụ gia tự nhiên đến sản xuất biogas từ phân lợn

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng chất phụ gia tự nhiên để tối ưu hóa quá trình sản xuất biogas từ phân lợn. Các chất phụ gia như dịch dạ cỏ và bùn ao tù được bổ sung vào hệ thống biogas nhằm tăng cường hiệu suất sinh khí methane. Kết quả cho thấy, việc bổ sung các chất phụ gia này giúp tăng đáng kể lượng biogas và methane sinh ra, đồng thời rút ngắn thời gian lên men. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ chất thải chăn nuôi.

1.1. Hiệu suất biogas khi sử dụng chất phụ gia tự nhiên

Khi bổ sung chất phụ gia tự nhiên, hiệu suất sản xuất biogas tăng lên đáng kể. Cụ thể, dịch dạ cỏ giúp tăng lượng biogas sinh ra lên đến 30%, trong khi bùn ao tù cải thiện hiệu suất lên 25%. Các chất phụ gia này cung cấp vi sinh vật có lợi, thúc đẩy quá trình phân hủy kỵ khí, từ đó tối ưu hóa sản xuất năng lượng tái tạo.

1.2. Tác động đến quá trình lên men

Việc bổ sung chất phụ gia tự nhiên vào hệ thống biogas giúp ổn định quá trình lên men. Các vi sinh vật trong chất phụ gia thúc đẩy phân hủy chất hữu cơ, giảm thời gian lên men từ 30 ngày xuống còn 20 ngày. Điều này không chỉ tăng hiệu suất sản xuất mà còn giảm chi phí vận hành hệ thống.

II. Chất lượng nước thải sau quá trình sản xuất biogas

Nghiên cứu cũng đánh giá chất lượng nước thải sau quá trình sản xuất biogas. Kết quả cho thấy, việc bổ sung chất phụ gia tự nhiên giúp cải thiện đáng kể chất lượng nước thải. Các chỉ tiêu như COD, BOD, và hàm lượng nitơ, phospho đều giảm đáng kể, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải. Điều này góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng nước thải trong nông nghiệp.

2.1. Giảm ô nhiễm nước thải

Việc sử dụng chất phụ gia tự nhiên giúp giảm đáng kể các chỉ tiêu ô nhiễm trong nước thải. COD giảm từ 15.000 mg/l xuống còn 5.000 mg/l, BOD giảm từ 7.000 mg/l xuống còn 2.000 mg/l. Điều này chứng tỏ hiệu quả của chất phụ gia trong việc xử lý chất thải và bảo vệ môi trường.

2.2. Tái sử dụng nước thải

Nước thải sau quá trình sản xuất biogas có thể được tái sử dụng trong nông nghiệp nhờ việc giảm thiểu các chất ô nhiễm. Hàm lượng nitơ và phospho trong nước thải đạt mức phù hợp để bón cho cây trồng, góp phần tạo ra một chu trình sản xuất bền vững và thân thiện với môi trường.

III. Tác động môi trường và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng chất phụ gia tự nhiên trong sản xuất biogas không chỉ tăng hiệu suất sản xuất năng lượng mà còn giảm thiểu đáng kể tác động môi trường. Cụ thể, lượng khí methane phát thải giảm 20%, góp phần giảm hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, việc tái sử dụng nước thải và phân bón hữu cơ từ quá trình này giúp tạo ra một hệ thống sản xuất tuần hoàn, bền vững.

3.1. Giảm phát thải khí nhà kính

Việc bổ sung chất phụ gia tự nhiên giúp giảm lượng khí methane phát thải trong quá trình sản xuất biogas. Điều này góp phần giảm hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa quá trình lên men giúp giảm lượng CO2 phát thải từ chất thải chăn nuôi.

3.2. Ứng dụng trong quản lý chất thải

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong quản lý chất thải chăn nuôi, đặc biệt là tại các trang trại quy mô lớn. Việc sử dụng chất phụ gia tự nhiên giúp tăng hiệu quả xử lý chất thải, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Đây là một giải pháp bền vững cho ngành chăn nuôi tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc, quy mô đàn lợn tại Việt Nam đạt trên 26,4 triệu con vào năm 2012, chiếm gần một phần ba tổng đàn lợn của toàn khu vực Đông Nam Á. Hoạt động quản lý chất thải chăn nuôi lợn trong nước phát thải ra môi trường hơn 3.500 tấn khí carbon dioxide tương đương mỗi năm, chiếm tỷ trọng 62,6% tổng lượng khí nhà kính phát sinh từ phân gia súc. Ước tính trong một mét khối chất thải lợn tươi chứa tới 4,2 kg Nitơ tổng số, 0,8 kg Phospho tổng số và 2,2 kg Kali tổng số. Nếu không được xử lý triệt để, nguồn thải khổng lồ này sẽ gây phì dưỡng nguồn nước, ô nhiễm đất và phát tán mầm bệnh nghiêm trọng.

Công nghệ hầm ủ khí sinh học là giải pháp xử lý kỵ khí phổ biến hàng đầu hiện nay. Tuy nhiên, các hệ thống biogas truyền thống tại các vùng nông thôn thường gặp nhiều hạn chế kỹ thuật: tốc độ phân giải chất hữu cơ chậm, sản lượng khí sụt giảm mạnh vào mùa đông và chất lượng nước thải đầu ra vẫn chứa hàm lượng ô nhiễm hữu cơ vượt quy chuẩn môi trường.

Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Mai Phương tập trung giải quyết hai mục tiêu then chốt: đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung các chất phụ gia tự nhiên đến khả năng sản sinh khí sinh học của phân lợn, đồng thời xác định tiềm năng sinh khí còn lại và chất lượng nước thải sau xử lý. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong cả mùa đông và mùa hè năm 2014 tại Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi thuộc Viện Chăn nuôi.

Kết quả đề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi xác lập công thức bổ sung tối ưu giúp nâng sản lượng khí sinh học đạt mức 34,84 lít mỗi ngày trong mùa hè và 30,12 lít mỗi ngày trong mùa đông, đồng thời hỗ trợ các trang trại chăn nuôi công nghiệp tái tạo nguồn năng lượng sạch bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân giải kỵ khí chất hữu cơ đa giai đoạn, bao gồm bốn pha kế tiếp nhau: thủy phân các đại phân tử, acid hóa tạo các acid béo dễ bay hơi, acetate hóa chuyển hóa thành acid acetic cùng khí hydro, và methane hóa do vi khuẩn cổ sinh methane đảm nhận. Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào hoạt tính của các enzyme phân giải xơ như exoglucanase, endoglucanase và beta-glucosidase.

Lý thuyết cộng sinh vi sinh vật kỵ khí chỉ ra rằng việc cung cấp hệ vi sinh vật thuần hóa sẵn có từ dịch dạ cỏ của động vật nhai lại, bùn đáy ao tù lâu năm hoặc bùn hoạt tính từ nước thải sau hầm ủ sẽ rút ngắn đáng kể pha thích ứng ban đầu. Cơ chế bổ sung cơ chất giàu vi sinh vật giúp cân bằng tỷ lệ Carbon trên Nitơ lý tưởng quanh mức 30/1, duy trì hệ đệm bicarbonate ổn định môi trường pH phản ứng. Các khái niệm phân tích cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm: Tổng hàm lượng chất rắn, Chất rắn dễ bay hơi, Nhu cầu oxy hóa học, Nhu cầu oxy sinh học 5 ngày và Mật độ vi khuẩn chỉ thị Coliform.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập nguồn chất thải hỗn hợp từ đàn lợn nuôi theo khẩu phần công nghiệp đồng nhất tại Trung tâm Thực nghiệm và Bảo tồn vật nuôi. Nguồn phụ gia tự nhiên gồm dịch dạ cỏ tươi từ cơ sở giết mổ tại huyện Đông Anh, bùn ao tù tầng mặt tại huyện Từ Liêm và nước thải sau hầm ủ biogas từ trang trại tại huyện Đan Phượng.

Hệ thống thực nghiệm được bố trí theo phương pháp phân lô ngẫu nhiên trên 15 bể mô phỏng bằng composite, tương ứng 5 công thức phối trộn và 3 lần lặp lại:

• Công thức 1: Phân lợn phối trộn 6% dịch dạ cỏ tươi;
• Công thức 2: Phân lợn phối trộn 6% bùn ao tù tươi;
• Công thức 3: Phân lợn phối trộn 6% bùn ao tù khô;
• Công thức 4: Phân lợn phối trộn 6% nước thải sau biogas;
• Công thức 5: Phân lợn phối trộn hỗn hợp 3% bùn ao tươi kết hợp 3% dịch dạ cỏ.

Nội dung đánh giá tiềm năng sinh khí thứ cấp sử dụng 45 chai thủy tinh dung tích 1.100 ml chứa 770 g nước thải sau biogas, đặt trong tủ ấm ổn nhiệt 37 độ C trong 60 ngày. Mẫu nước thải được lấy theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5999:1995. Lưu lượng khí sinh học được đo tự động hàng ngày bằng đồng hồ Gallus Flonidan, nồng độ methane đo định kỳ 7 ngày một lần bằng máy quang phổ VISIT 03 và kiểm chứng sắc ký khí. Các chỉ tiêu hóa lý COD, BOD5, Nito, Phospho và Coliform được phân tích theo các tiêu chuẩn TCVN 6195-1996, TCVN 4566-1988 và TCVN 6187-2009. Toàn bộ số liệu được xử lý phương sai ANOVA và kiểm định sai khác trung bình Turkey ở mức ý nghĩa P nhỏ hơn 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm cho thấy việc bổ sung các chất phụ gia sinh học tự nhiên tạo ra sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất chuyển hóa khí và mức độ làm sạch chất thải giữa các nghiệm thức:

1. Hiệu suất sinh khí sinh học vượt trội của nước thải hồi lưu: Công thức bổ sung 6% nước thải sau biogas liên tục đạt năng suất sinh khí cao nhất trong cả hai mùa. Ở mùa hè, thể tích khí đạt 34,84 lít/ngày (tương đương 69,7 lít/kg phân tươi/ngày và 865,2 lít/kg chất rắn dễ bay hơi), cao hơn 55,8% so với công thức bổ sung bùn ao tươi chỉ đạt 22,36 lít/ngày. Trong mùa đông, thể tích khí đạt 30,12 lít/ngày (tích lũy 903,6 lít sau 30 ngày), vượt trội so với công thức bùn ao khô chỉ đạt 21,37 lít/ngày.
2. Sản lượng khí methane tinh khiết đạt đỉnh: Lượng khí methane tạo thành ở công thức 4 đạt 21,65 lít/ngày vào mùa hè (tương ứng 537,7 lít CH4/kg chất rắn dễ bay hơi) và đạt 19,10 lít/ngày vào mùa đông (tương ứng 339,6 lít CH4/kg chất rắn dễ bay hơi). Hàm lượng methane trong hỗn hợp khí luôn duy trì ổn định ở mức 62,1% đến 63,4%.
3. Hiệu quả phân hủy chất hữu cơ cao: Nồng độ nhu cầu oxy hóa học của nước thải ở công thức 4 giảm từ 4.632 mg/l xuống 500,5 mg/l trong mùa hè (giảm 89,19%) và từ 4.687 mg/l xuống 885,3 mg/l trong mùa đông (giảm 81,12%). Nhu cầu oxy sinh học giảm tương ứng 82,28% ở mùa hè và 79,03% ở mùa đông. Tổng chất rắn dễ bay hơi bị loại bỏ từ 86,30% đến 87,27%.
4. Độ kiềm hóa và tỷ lệ bảo toàn dinh dưỡng: Độ pH nước thải sau xử lý tăng từ mức trung tính 6,97 - 7,30 lên mức kiềm nhẹ 7,67 - 8,03 (tăng từ 4,82% đến 11,96%). Ngược lại, hàm lượng Nitơ tổng số chỉ giảm nhẹ từ 7,30% đến 9,16%, Phospho tổng số chỉ giảm từ 2,94% đến 4,06% sau quá trình ủ kỵ khí.

Thảo luận kết quả

Khả năng sinh khí vượt trội của công thức bổ sung nước thải sau biogas xuất phát từ việc hồi lưu trực tiếp quần thể vi khuẩn methane đã thích nghi hoàn toàn với cơ chất phân lợn. Khi vào bể lên men, các vi sinh vật này lập tức hoạt động phân giải mà không trải qua pha ức chế sinh trưởng. Ngược lại, dịch dạ cỏ tuy giàu enzyme tiêu hóa chất xơ nhưng khi phân giải nhanh lại giải phóng lượng acid béo trung gian khiến pH ban đầu giảm cục bộ. Bùn ao tù tươi chứa một số tạp chất vô cơ và vi lượng kim loại làm giảm phần nào hoạt tính phân giải.

Khi biểu diễn động học sinh khí tích lũy theo thời gian qua các biểu đồ đường, đồ thị của công thức nước thải sau biogas duy trì độ dốc tăng trưởng thẳng đứng liên tục trong suốt 30 ngày, không xuất hiện độ trễ chu kỳ. So sánh với các nghiên cứu hầm ủ bạt nhựa HDPE thông thường vốn chỉ đạt tỷ lệ khử COD khoảng 55% đến 66%, mô hình bổ sung phụ gia sinh học đạt hiệu suất khử COD lên đến 87,5% - 89,19%.

Việc bảo tồn gần như nguyên vẹn nồng độ Nitơ và Phospho trong nước thải đầu ra khẳng định quá trình lên men kỵ khí chỉ chuyển hóa các hợp chất Carbon thành khí CH4 và CO2, trong khi các dưỡng chất khoáng được khoáng hóa sang dạng ion hòa tan giúp cây trồng dễ hấp thụ. Mật độ vi khuẩn Coliform giảm từ 63,8% đến 65,4%, cho thấy cần kết hợp thêm hệ thống hồ lắng thực vật bậc hai để xử lý triệt để trước khi xả thải ra nguồn tiếp nhận tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho ngành chăn nuôi:

1. Triển khai quy trình hồi lưu 6% nước thải sau biogas vào nguyên liệu nạp: Các trang trại chăn nuôi lợn quy mô từ 500 đến 5.000 con cần thiết kế đường ống bơm hồi lưu 6% lượng nước thải sau bể lắng để trộn trực tiếp vào phân tươi hàng ngày. Giải pháp này giúp gia tăng 40% đến 55% sản lượng khí đốt, rút ngắn 20% thời gian lưu bã, giao cho kỹ sư vận hành trang trại thực hiện ngay trong quý đầu tiên áp dụng công nghệ.
2. Xây dựng hệ thống hồ sinh học bậc hai xử lý dinh dưỡng dư thừa: Do nước thải sau biogas vẫn còn chứa hàm lượng Nitơ từ 100 đến 128 mg/l và Phospho từ 16 đến 25 mg/l, các cơ sở chăn nuôi cần vận hành chuỗi hồ sinh thái trồng bèo lục bình hoặc cỏ vetiver với thời gian lưu nước từ 10 đến 15 ngày. Mục tiêu đưa toàn bộ chỉ tiêu COD, BOD5 và Coliform đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi trong vòng 6 tháng thi công.
3. Khai thác nước thải và bùn cặn sau biogas làm phân bón hữu cơ sinh học: Ban quản lý trang trại phối hợp với các hợp tác xã nông nghiệp địa phương tổ chức thu gom bùn đáy giàu mùn để ủ compost, đồng thời tận dụng nước thải giàu khoáng hòa tan tưới cho cây trồng. Biện pháp này giúp cắt giảm từ 25% đến 30% chi phí phân bón hóa học NPK nhập khẩu hàng năm cho vùng sản xuất lúa và cây ăn quả lân cận.
4. Ban hành quy trình kiểm soát nhiệt độ và tỷ lệ pha loãng vào mùa đông: Chi cục Thú y và Trung tâm Khuyến nông các tỉnh miền Bắc cần hướng dẫn người chăn nuôi duy trì tỷ lệ pha loãng phân và nước ở mức 1/4 đến 1/5 trong mùa đông, kết hợp che chắn giữ nhiệt hầm ủ để đảm bảo sản lượng khí methane không bị sụt giảm dưới mức 19 lít/ngày trong các tháng giá rét.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Chủ trang trại và doanh nghiệp chăn nuôi công nghiệp: Cung cấp giải pháp kỹ thuật tuần hoàn phụ gia chi phí bằng không, giúp tối ưu hóa sản lượng khí sinh học từ đàn lợn quy mô 1.000 đến 10.000 con nhằm phục vụ phát điện, sưởi ấm chuồng trại và giảm chi phí năng lượng từ 30 triệu đến 50 triệu đồng mỗi tháng.
• Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về hệ số phát thải, nồng độ COD, BOD5, Nitơ, Phospho và Coliform trước và sau hầm biogas, hỗ trợ Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn xây dựng tiêu chuẩn xả thải và quy hoạch chăn nuôi an toàn sinh học.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Nông nghiệp - Môi trường: Làm tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp bố trí thí nghiệm 15 lô composite chuẩn hóa, quy trình kiểm soát thông số kỵ khí nghiêm ngặt và phương pháp xử lý số liệu sinh học bằng mô hình phân tích ANOVA.
• Kỹ sư môi trường và đơn vị tư vấn chuyển giao công nghệ sinh học: Nắm bắt các thông số động học sinh khí thực tế (865,2 lít biogas/kg VS) để tính toán chính xác dung tích hầm ủ, thiết kế hệ thống xử lý nước thải thứ cấp và phát triển các mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín.

Câu hỏi thường gặp

Bổ sung loại phụ gia tự nhiên nào giúp tăng năng suất sinh khí biogas và methane cao nhất? Kết quả thực nghiệm chứng minh bổ sung 6% nước thải sau biogas mang lại hiệu quả cao nhất, đạt sản lượng 34,84 lít khí biogas/ngày vào mùa hè và 30,12 lít/ngày vào mùa đông. Nguyên nhân do nước thải sau hầm ủ chứa sẵn quần thể vi sinh vật cổ sinh methane đã thích nghi cao với cơ chất phân lợn, giúp rút ngắn thời gian lên men và duy trì nồng độ khí methane ổn định trên 62%.

Tại sao hàm lượng Nitơ và Phospho trong nước thải sau khi qua hầm biogas lại giảm rất ít? Quá trình lên men kỵ khí trong hầm biogas chủ yếu tập trung bẻ gãy các liên kết Carbon hữu cơ để chuyển hóa thành khí methane và carbon dioxide. Các nguyên tố dinh dưỡng khoáng như Nitơ và Phospho không bị mất đi mà chỉ chuyển đổi dạng tồn tại sang các gốc ion vô cơ hòa tan, khiến nồng độ Nitơ tổng số chỉ giảm từ 7,30% đến 9,16% và Phospho tổng số chỉ giảm từ 2,94% đến 4,06%.

Làm thế nào để khắc phục tình trạng suy giảm sản lượng khí biogas trong mùa đông giá rét? Người chăn nuôi nên áp dụng công thức bổ sung 6% nước thải sau biogas kết hợp giảm tỷ lệ nước dội chuồng để nồng độ vật chất khô đạt khoảng 4,8% đến 5,0%. Biện pháp bổ sung bùn hoạt tính kỵ khí giúp kích thích nhiệt sinh học nội tại tăng từ 21,6 độ C lên 22,7 độ C, duy trì sản lượng khí methane ổn định ở mức 19,1 lít/ngày.

Nước thải sau hầm ủ biogas có đủ điều kiện xả trực tiếp ra sông ngòi tự nhiên hay không? Nước thải sau biogas chưa thể xả trực tiếp ra nguồn nước tự nhiên vì nồng độ COD vẫn còn ở mức 500,5 đến 885,3 mg/l và mật độ Coliform chỉ mới giảm khoảng 65,4%, vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn môi trường. Nước thải bắt buộc phải đi qua các công trình xử lý thứ cấp như hồ lắng sinh học, bãi lọc ngập nước nhân tạo trước khi thải ra ngoài.

Tỷ lệ phối trộn 6% nước thải sau biogas được tính toán và vận hành như thế nào trong thực tế? Tỷ lệ 6% được tính trên tổng khối lượng phân tươi và nước nạp vào hầm ủ mỗi ngày. Ví dụ, với lượng cơ chất nạp nhật dụng là 100 kg hỗn hợp phân lợn và nước dội, trang trại chỉ cần bơm hồi lưu 6 kg nước thải từ cửa xả của bể điều áp trộn đều vào cửa nạp trước khi đưa vào hầm phân hủy kỵ khí chính.

Kết luận

• Luận văn khẳng định việc bổ sung phụ gia tự nhiên, đặc biệt là nước thải sau biogas với tỷ lệ 6%, giúp tối ưu hóa vượt trội hiệu suất sinh khí kỵ khí của chất thải chăn nuôi lợn.
• Sản lượng khí sinh học đạt mức kỷ lục 34,84 lít/ngày trong mùa hè và 30,12 lít/ngày trong mùa đông, đồng thời sản lượng khí methane tinh khiết đạt tới 537,7 lít CH4 trên mỗi kg chất rắn dễ bay hơi.
• Hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường đạt mức cao với tỷ lệ giảm nhu cầu oxy hóa học COD lên tới 89,19% và chất rắn dễ bay hơi giảm 87,27%.
• Nguồn nước thải đầu ra bảo toàn trên 90% hàm lượng Nitơ và Phospho khoáng hóa, mở ra tiềm năng to lớn cho việc sản xuất phân bón hữu cơ lỏng phục vụ nông nghiệp sinh thái.
• Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, các cơ sở chăn nuôi cần nhanh chóng chuẩn hóa quy trình hồi lưu vi sinh vật kỵ khí và hoàn thiện hệ thống hồ sinh học bậc hai. Hãy liên hệ với các viện nghiên cứu chăn nuôi chuyên ngành để tiếp nhận chuyển giao quy trình kỹ thuật, hiện đại hóa hạ tầng quản lý chất thải và phát triển kinh tế trang trại xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

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. 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. 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. 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.