9/11/2018
1
Chương V.
ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ
LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI
Nội dung
• Khái niệm và phân loại chất thải chăn nuôi
• Đặc điểm của chất thải
• Ứng dụng vsv trong xử lý chất thải chăn nuôi:
- Lên men hiếu khí
- Lên men yếm khí
- Sử dụng chế phẩm vi sinh vật
5.1. Khái niệm và phân loại chất thải
chăn nuôi
5.1.1. Khái niệm
Chất thải chăn nuôi là các sản phẩm phụ không mong
muốn hình thành trong quá trình chăn nuôi, bao gồm:
- Phân, nước tiểu
- Thức ăn thừa
- Độn lót nền chuồng
- Xác vật nuôi chết dịch/ sản phẩm từ vật nuôi: da,
lông…
- Các chất hữu cơ khác: vỏ bao thuốc…
- Các khí thải độc hại
5.1.2. Phân loại chất thải chăn nuôi
Chất thải chăn nuôi được chia thành 3 nhóm:
- Chất thải rắn: phân, thức ăn thừa, xác gia súc và
các chất hữu cơ khác (dụng cụ thú ý, vỏ bao
thuốc…)
- Chất thải lỏng: nước tiểu, nước tắm cho gia súc,
nước rửa chuồng, nước thải từ các lò mổ…
- Chất thải khí: Các khí thải độc hại sản sinh trong
quá trình chăn nuôi như CO2, NH3, CH4, H2S…
Trong thực tế chất thải chăn nuôi thường tồn tại
ở dạng hỗn hợp của chất thải rắn, lỏng và khí
Theo Hill và Toller, 1974
Theo Lochr, 1984
5.1.3. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi
-Chất thải rắn: nước 56-83%, chất hữu cơ 1-26%, N 0,3-1,6%,
P 0,2-1,4%; K 0,15-0,95%; vi khuẩn, virus, trứng kí sinh trùng
Tỷ lệ các chất vô cơ, hữu cơ và thành phần vsv phụ thuộc vào
các yếu tố: giống loài, tuổi vật nuôi, khẩu phần ăn (protein,
xơ…); khả năng tiêu hóa; quy mô chăn nuôi, cách dọn vệ sinh
-Chất thải lỏng: VCK <10%, chất hữu cơ chủ yếu cellulose,
protein, axit béo, carbohydrate; chất vô cơ chiếm 20-30% gồm
cát, đất, muối…; VSV (E. coli, Salmonella…); trứng giun sán
Thành phần chất thải lỏng chăn nuôi phụ thuộc vào: quy mô
chăn nuôi, kiểu chuồng, phương thức nuôi dưỡng, chăm sóc,
dọn vệ sinh, mùa vụ
-Khí : Chất thải bị phân hủy bởi vsv thành nhiều chất khí khác
nhau: nitơ oxit (N2O), CO2, NH3, H2S, CH4(khí nhà kính)
-Mùi: các hợp chất có chứa S; các hợp chất phenol, indol; axit
béo bay hơi; ammonia và các amine bay hơi
9/11/2018
2
Thành phần dinh dưỡng của phân
Thành phần dinh dưỡng của nước tiểu
4.1.4. Các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi
Phương pháp vật lý: Tách riêng chất thải rắn và lỏng
- Thu gom phân riêng, nước thải riêng; bể lắng; lưới chắn rác
- Tách bằng phương pháp lọc; Máy tách chất rắn; phương pháp
lắng cặn/ ly tâm
Phương pháp hóa học:
- tách các chất hữu cơ có kích thước nhỏ trong chất thải lỏng
dễ dàng tách khỏi hỗn hợp bằng pp vật lý
+ Sử dụng hóa chất làm đông tụ, sa lắng như alumium, sulphate,
ferric sulphate, ferric chloride..
- Sử dụng hóa chất để hấp phụ khí độc giảm mùi
Phương pháp sinh học:
- Ứng dụng vi sinh vật để lên men chất thải
- Sử dụng các chế phẩm vi sinh/từ vi sinh vật
- Sử dụng thảm thực vật; hồ thủy sinh
PP này được ứng dụng rộng rãi để xử lý chất thải chăn nuôi do chi
phí thấp, dễ thực hiện và hiệu quả
5.2. ỨNG DỤNG VSV TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI
CHĂN NUÔI
5.2.1. Cơ sở của việc sử dụng vi sinh vật trong xử lý chất
thải chăn nuôi
a. Vi sinh vật có khả năng phân giải được nhiều chất hữu cơ
cũng như vô cơ có trong thành phần chất thải
-Nhóm phân giải xơ
- Các vi sinh vật có khả năng sản sinh các loại enzyme: cellulase
(endo-glucanase, exo-glucanase, β-glucosidases); pectinase,
xylanase..
+ Nấm mốc: Trichoderma; Aspergillus….
+ Xạ khuẩn: Streptomyces, Actinomyces, Pseudonocardia…
+ Vi khuẩn: Bacillus, Clostridium
+ VSV dạ cỏ: Ruminococcus; Flavefaciens; Butyrivibrio;
Bacteroides.
Phân giải chất xơ thành sản phẩm cuối cùng là đường đơn
Nhóm VSV phân giải tinh bột
- VSV có khả năng sinh enzyme amylase (α-amylase, -
amylase, Glucoamylase, Amylopectin 1,6 glucosidase)
- Vi sinh vật có men -amylaza: Vi khuẩn (Bacillus
subtilis…), Nấm men (Candida sitophila, C.japonica)
- Vi sinh vật sinh glucoamylase: Nấm mốc (Rhizopus
delemar, R.niveus, Endomyces sp)
- VSV sinh đồng thời enzyme -amylase, glucoamylase và
-amylase: Nấm mốc (Aspergillus awamorii, Asp. oryzae,
Asp. usami, Rhizopus javanicus, Endomycopsis…)
•Sự hình thành các loại enzyme amylase và hoạt tính của chúng
còn phụ thuộc vào chất cảm ứng có trong môi trường.
- Nhóm phân giải N
+ Phân giải protein: Khả năn phân giải protein tốt nhất thuộc
về nấm mốc và vi khuẩn.
+ Phân giải ure: nhiều loài vi sinh vật có khả năng sinh enzyme
urease để phân giải urê trong nước tiểu thành NH3và CO2như
Bacillus subtilis, Aspergillus niger, Lactobacillus fermentum,
Ruminococcus albus ...
- Nhóm phân giải lipid: nhiều VK và nấm có khả năng phân
giải lipid do sản sinh enzyme lipase: Micrococcus, Pseudomonas,
Saccharomyces, Aspergillus niger, A. oryzae,
Candida,Mucor miehei,Rhizopus arrhizus,R.delemar,R.japonic
us,R.niveus and R.oryzae. Quá trình thủy phân lipid để tạo thành
glycerol và axit béo
- Nhóm phân giải phosphat
Trong phân, phospho tồn tại ở dạng phospho hữu cơ và
phospho vô cơ. VSV phân giải phospho hữu cơ: Bacillus và
Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải mạnh là B.
megatherium, B. mycoides và Pseudomonas sp. Một số xạ
khuẩn và vi nấm cũng có khả năng phân giải phospho hữu cơ.
VSV phân giải phospho vô cơ: Bacillus megatherium,
B.butyricus, B.mycoides. Pseudomonas radiobacter P. gracilis ...;
nấm mốc Aspergillus niger và một số xạ khuẩn
-Vi khuẩn sinh axit lactic và bacteriocins: gồm 6 giống
chính: Lactobacillus; Pediococcus; Enterococcus; Lactococcus;
Streptococcus và Leuconostoc sản sinh axit lactic và hoạt chất
kháng khuẩn tự nhiên (bacteriocins) như Nisin
9/11/2018
3
b. VSV có quá trình hấp thu và chuyển hóa mạnh; tốc độ sinh trưởng
nhanh và thích nghi tốt với điều kiện môi trường
VSV có tốc độ sinh trưởng nhanh, thời gian thế hệ ngắn nên tốc độ
tổng hợp enzyme nhanh. Bản thân VSV có thể tổng hợp một lượng lớn
các enzyme ngoại bào khác nhau, vượt xa nhu cầu bản thân do có khả
năng sinh enzyme thích ứng.
Ví dụ: Trong môi trường giàu tinh bột, nấm Aspergillus oryzae có thể
tăng 100%hoạt lực tổng hợp amylase; Trong môi trường giàu xơ nấm
Trichoderma tăng 100% hoạt lực tổng hợp cellulase. Hoặc trong chất thải
chứa nhiều nitrat cũng kích thích nấm tăng phân giải cellulose
c. Có khả năng tác động hiệp đồng với nhiều VSV khác nhau cũng như
với các sinh vật khác
Ví dụ trong xử lý nước thải có sự tham gia của nhiều nhóm VSV
như tảo, vi khuẩn, động vật nguyên sinh.. Trong đó, hoạt động của tảo
cung cấp oxy hòa tan trong nước và sản sinh các chất kích thích sự sinh
trưởng của vi sinh vật có lợi trong môi trường nước thải.
5.2.2. Phương pháp xử lý chất thải rắn
a. Ủ phân hiếu khí
* Nguyên lý:
Chất thải rắn (phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa, xác vật
nuôi.) được lên men hiếu khí (ủ). Nhờ hoạt động của các vi sinh
vật trong điều kiện có oxy để phân hủy các hợp chất hữu cơ có
trong chất thải để hình thành sinh khối. Nhiệt sinh ra trong quá
trình ủ đạt 55-66oC sẽ tiêu diệt mầm bệnh, vi sinh vật có hại, hạt
cỏ… và làm giảm mùi.
Các VSV tham gia quá trình ủ phân gồm vi khuẩn hiếu khí
hoặc tùy tiện như các VSV cố định N; VSV phân giải lân; VSV
phân giải cellulose; VSV phân giải protein như: Azotobacter,
Bradyrhizobium, Rhyzobium; xạ khuẩn Actinomyces, Klebsiella,
Aspergillus niger, Pseudomonas, Bacillus, Micrococens,
Tóm tắt quá trình ủ phân hiếu khí (theo Rynk và cs., 1992).
Các giai đoạn của quá trình ủ phân hiếu khí (Trautmann
và Krasny,1997)
9/11/2018
4
*Phương pháp tiến hành
- Xử lý trước khi ủ: Chất thải rắn như phân gia súc, gia cầm, độn
chuồng… được trộn với trấu hoặc mùn cưa hoặc rơm rạ, bèo tây, cây họ
đậu… băm nhỏ… để hút bớt nước trong phân và làm tăng độ xốp trong
đống phân, tăng độ thoáng khí. Trong thực tế, khi ủ thường bổ sung thêm
2-5% super lân hoặc tro trấu để giữ NH3(giảm thất thoát N)
- Vị trí ủ: Ủ nổi hoặc ủ chìm - Phương pháp ủ:
- Cách tiến hành: Phân sau khi xử lý được đánh đống có độ cao 1,5-2m,
đường kính 2-3 m tuỳ theo chiều rộng của nền đất và số lượng phân đem
ủ. Không nén chặt; độ ẩm đống ủ từ 50-60%. Đậy kín đống ủ bằng bạt
hoặc nilon. Sau 5-10 ngày (tùy vào nhiệt độ môi trường), nhiệt độ trong
đống phân có thể đạt từ 40- 600C. Có thể đạo trộn và bổ sung nước cho
đủ độ ẩm sau đó vun lại thành đống và phủ bạt kín. Sau 30-40 ngày (tùy
thuộc vào nhiệt độ môi trường), đống ủ đã tơi, mục xốp và có thể sử
dụng.
Cách kiểm tra độ ẩm của nguyên liệu ủ
Ưu điểm của ủ phân hiếu khí:
• Tạo thành sản phẩm hữu cơ, giảm phát thải mùi, khí methane CH4
(khí nhà kính) và NH3
• Quá trình nitrat hóa chuyển NH3nitrate: cây trồng có thể sử
dụng mặc dù nó dễ bị rửa trôi
• Nitrate cũng được vsv chuyển hóa thành khí Nito thành phần của
các hợp chất hữu cơ khác làm giảm N trong chất thải lỏng, rắn
• Tiêu diệt các mầm bệnh có trong phân; tận dụng các phụ phẩm
nông nghiệp để tạo phân bón cho cây trồng
• Phân sau khi ủ giảm khối lượng 50% so với phân tươi chưa ủ dễ
vận chuyển, dự trữ
Nhược điểm của ủ phân hiếu khí
- Công lao động; thời gian ủ dài; cần diện tích đất/hố ủ, nơi thu gom
chất thải lớn
- Hình thành mùi, khí độc hại trong giai đoạn đầu ủ
- Hiệu quả, chất lượng của ủ phân phụ thuộc vào điều kiện thời tiết:
độ ẩm, nhiệt độ lạnh, khô…
- Ý thức sử dụng phân bón hữu cơ của nông dân còn hạn chế
b. Xử lý phân yếm khí (hệ thống biogas)
*Khái niệm: Quá trình lên men các hợp chất hữu cơ và vô cơ
phân tử trong chất thải rắn và lỏng nhờ VSV trong điều kiện
không có oxy để tạo thành các chất khí CH4, NH3, H2S, CO2và
các sản phẩm trung gian như axit hữu cơ, các phân tử có mùi như
indol, scatol. Các C mạch dài, không phân hủy được trong đường
tiêu hóa động vật như lignin, pectin, hemicellulose sẽ bị phân hủy
bởi VSV yếm khí trong quá trình ủ.
* Nguyên lý hoạt động của hệ thống biogas:
Chuẩn bị nguyên liệu cho hệ thống biogas: phân gia của
vật nuôi, xác động vật chết hoặc các chất thải rắn khác. Phân cần
được làm lỏng, các chất thải rắn có kích thước lớn cần được
băm/thái.. nhỏ
Sự phân hủy chất thải rắn trong điều kiện yếm khí diễn ra
qua 4 giai đoạn với sự tham gia của nhiều chủng loại VSV:
9/11/2018
5
- Giai đoạn 1 (giai đoạn thủy phân-hydrolysis): VSV trong bể biogas lên
men phân hủy các hợp chất C, N phức tạp thành các hợp chất hữu cơ đơn
giản (đường, axit amin, axit béo..) và các khí CO2, H2.
- Giai đoạn 2 (giai đoạn sinh axit- Acidification): VSV sinh axit sẽ chuyển
hóa axit amin, axit béo được hình thành ở giai đoạn 1 thành các axit hữu
béo bay hơi mạch ngắn (axit axetic, axit propionic, axit butyric, axit
formic, axit lactic) + rượu và một số khí như H2, NH3…. Giai đoạn này do
hình thành một hàm lượng axit lớn nên pH môi trường giảm.
- Giai đoạn 3 (Axeton hóa): Các axit béo bay hơi sẽ được các vi khuẩn
axeton hóa chuyển hóa thành axit axetic và H2
-Giai đoạn 4 (Methan hóa -hình thành khí methan): VK methane hóa
chuyển hóa H và axit axetic thành khí methan và CO2. Phương trình
tổng quát: + CO2+4 H2CH4+ H2O
+ Khử cacboxyl của axit axetic: CH3COOH → CH4+ CO2Tóm tắt các giai đoạn của quá trình lên men yếm khí
* Các vi sinh vật tham gia quá trình lên men yếm khí
- Nhóm VSV tham gia quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ có
trong phân:
+ Phân giải protein: Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium,
Fusobacterium, Selenomonas, Streptococcus
+ Phân giải lipid: Clostridia, các micrococci
+ Các axit amin tạo thành được chuyển hóa thành axit béo:
acetate, propionate, butyrate và thành NH3nhờ các vi khuẩn:
Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, campylobacter, Bacteroides.
- Nhóm vi khuẩn axeton hóa: Syntrophobacter wolinii,
Sytrophomonos wolfei, Clostridium formicoaceticum
- Nhóm vi khuẩn sinh methane: trực khuẩn (methanobacterium,
methanobacillus, Methanosaeta); cầu khuẩn (methanococcus,
methanosarcina)yếm khí bắt buộc
*Các loại hầm biogas:
- Hầm biogas nắp cố định: bộ phận chứa khí và bể phân hủy
được gắn với nhau thành một bể kín.
- Biogas dạng túi: Bể phân hủy là một túi bằng chất dẻo
hoặc cao su. Phần dưới là bể phân hủy,còn phần trên là nơi
chứa khí. Hầm biogas phủ bạt HDPE (High Density
Polyethinel): Có dung tích lớn tùy ý, có thể lên tới hàng
nghìn m3. Chính vì vậy có thể áp dụng được cho các trang
trại chăn nuôi lớn; Giá thành rẻ tính cho một đơn vị dung
tích. Tuy nhiên, loại này tốn diện tích mặt bằng, dễ chịu
tác động bởi nhiệt độ, kém bền so với hầm xây gạch,
ximang; dễ thủng
Hầm xây nắp cố định Hầm xây nắp trôi nổi
Hầm dạng túi
Hầm dạng túi nhựa HDPE IV