Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
Hiện trạng chăn nuôi gia súc trên thế giới và Việt Nam
Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi toàn cầu đã trải qua nhiều biến động về tốc độ phát triển và phương thức sản xuất Điều này cũng đi kèm với những thách thức như ô nhiễm môi trường, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm và sự bùng phát của nhiều dịch bệnh mới.
Ngành chăn nuôi hiện nay đang phát triển theo hướng trang trại tập trung với quy mô lớn và nhỏ, tạo ra nhiều việc làm và đóng góp đáng kể cho ngân sách quốc gia Tuy nhiên, chất lượng giống lợn vẫn thấp do chăn nuôi nhỏ lẻ và phát triển tự phát Các trang trại thường nhỏ, thiết bị không đồng bộ và nằm trong khu dân cư, dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Chất thải từ các cơ sở chăn nuôi thường được xả thẳng ra môi trường, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Việc tăng quy mô chăn nuôi mà không có giải pháp kỹ thuật phù hợp sẽ làm giảm năng suất và gây ô nhiễm Mặc dù gặp nhiều khó khăn, nhưng với chính sách hỗ trợ kịp thời, ngành chăn nuôi đang dần phục hồi và phát triển thành ngành sản xuất hàng hóa quy mô lớn Phương thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hóa theo quy mô trang trại ngày càng được nhân rộng, áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật và quản lý kinh tế để tối ưu hóa lợi nhuận Sử dụng thức ăn công nghiệp trong chăn nuôi là giải pháp hiệu quả, giúp tiết kiệm chi phí lao động và cung cấp dinh dưỡng hợp vệ sinh cho vật nuôi.
Ngành chăn nuôi toàn cầu đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt từ năm 2010, với số lượng gia súc tăng 21%, từ 207 triệu lên 251 triệu con.
Phát triển chăn nuôi theo hướng tập trung và chuyên môn hóa cao là một yếu tố quan trọng trong công nghiệp hóa nông nghiệp Việt Nam Với dân số 91 triệu người và mật độ dân số cao, nhu cầu thực phẩm ngày càng gia tăng đã thúc đẩy nhu cầu hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp Trong bối cảnh diện tích đất nông nghiệp giảm do đô thị hóa và phát triển công nghiệp, việc phát triển chăn nuôi tập trung và nâng cao quy mô là cần thiết để cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm như thịt, trứng, sữa phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu.
Tại Việt Nam, có khoảng 7 triệu hộ chăn nuôi, trong đó 86,4% là hộ chăn nuôi quy mô nhỏ với dưới 10 con Hình thức trang trại chăn nuôi đang chiếm tỷ trọng cao trong tổng số trang trại nông nghiệp và có xu hướng tăng lên trong thời gian gần đây.
Năm 2015, Việt Nam có 11.463 trang trại chăn nuôi, chủ yếu tập trung tại hai vùng Đồng bằng sông Hồng và Đông Nam Bộ Hệ thống trang trại chủ yếu quy mô nhỏ với mức độ chuyên môn hóa chưa cao, dẫn đến việc xử lý chất thải chăn nuôi chưa được chú trọng, khiến lượng chất thải chưa qua xử lý thải ra môi trường vẫn còn rất lớn (Mai Thế Hào, 2016).
Hình 2.1 Chăn nuôi thâm canh công nghiệp thải ra nguồn chất thải rất lớn
Bảng 2.1 Số lượng đầu gia súc gia cầm và sản lượng sản phẩm chăn nuôi của Việt Nam năm 2009
TT Loại gia súc ĐV tính Đầu con Thịt hơi Sản phẩm
2 Bò Ngàn con 6103,3 257779 tấn 278190 tấn
3 Lợn Ngàn con 27627,7 2908,5 ngàn tấn -
6 Gia cầm Triệu con 280,2 518,3 ngàn tấn 5419,4 triệu quả
Nguồn: Tổng cục Thống kê (2011)
Tổ chức FAO đã xác định có 3 hệ thống chăn nuôi chính: hệ thống công nghiệp, hệ thống hỗn hợp và các hệ thống chăn thả
Hệ thống chăn nuôi công nghiệp là mô hình chăn nuôi mà các vật nuôi được tách biệt khỏi môi trường tự nhiên, với toàn bộ thức ăn và nước uống do con người cung cấp, cùng với hệ thống thu gom chất thải Những hệ thống này đóng góp hơn 50% sản lượng thịt lợn và thịt gia cầm toàn cầu, cũng như 10% thịt bò và cừu Tuy nhiên, chúng cũng tạo ra một lượng chất thải độc hại, gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Hệ thống hỗn hợp là mô hình trang trại kết hợp giữa trồng trọt và chăn nuôi, đóng góp 54% sản lượng thịt và 90% sản lượng sữa toàn cầu Đây là hình thức chăn nuôi chủ yếu của các hộ nhỏ lẻ tại các quốc gia đang phát triển.
Hệ thống chăn thả là hình thức chăn nuôi mà hơn 90% thức ăn cho vật nuôi đến từ đồng cỏ và bãi chăn thả, trong khi dưới 10% còn lại được cung cấp từ các nguồn khác Mặc dù chỉ đóng góp 9% vào tổng sản phẩm thịt toàn cầu, hệ thống này lại là nguồn thu nhập chính cho hơn 20 triệu gia đình trên toàn thế giới.
Xu hướng chăn nuôi công nghiệp đang giảm mạnh tại phương Tây do tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội, trong khi lại phát triển mạnh mẽ ở châu Á, nơi các nhà chăn nuôi ít bị can thiệp bởi phong trào bảo vệ động vật (Trương Lăng, 2010) Tại Trung Quốc và nhiều quốc gia đang phát triển khác, sản xuất đã chuyển từ nông trại truyền thống sang trang trại quy mô lớn, với gần 60% trứng của Trung Quốc vào năm 2005 được sản xuất từ các trang trại có từ 500 mái đẻ trở lên Các trang trại chăn nuôi lớn ở các nước đang phát triển thường nằm gần hoặc trong các thành phố lớn, gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, tạo ra thách thức lớn cho thế kỷ 21 (Báo NN&PTNT, 2013).
Hiện trạng chất thải chăn nuôi trên thế giới và Việt Nam
Chăn nuôi là một trong những ngành sản xuất gây ra lượng chất thải lớn nhất cho môi trường Chất thải chăn nuôi bao gồm nhiều dạng khác nhau như rắn, lỏng và khí, phát sinh từ quá trình chăn nuôi, lưu trữ, chế biến và sử dụng chất thải.
Các chất thải chăn nuôi được phát sinh chủ yếu từ:
- Chất thải của bản thân gia súc, gia cầm như phân, nước tiểu, lông, vảy da và các phủ tạng loại thải của gia súc, gia cầm
Nước thải phát sinh từ quá trình tắm gia súc, rửa chuồng trại, vệ sinh dụng cụ và thiết bị chăn nuôi, cũng như nước làm mát từ các hệ thống dịch vụ chăn nuôi cần được quản lý và xử lý hiệu quả để giảm thiểu tác động đến môi trường.
- Thức ăn thừa, các vật dụng chăn nuôi, thú y bị loại ra trong quá trình chăn nuôi
- Bệnh phẩm thú y, xác gia súc, gia cầm chết
Bùn lắng từ các mương dẫn và hố chứa chất thải chăn nuôi có thể chứa nhiều thành phần gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sự phát triển của gia súc, gia cầm và sức khỏe con người Do đó, việc hiểu rõ thành phần và tính chất của chất thải chăn nuôi là cần thiết để áp dụng các biện pháp quản lý và xử lý phù hợp, nhằm kiểm soát ô nhiễm và tận dụng nguồn chất thải giàu hữu cơ.
8 mục đích kinh tế là một việc làm cần thiết (Nguyễn Văn Mùi, 2001)
Chất thải chăn nuôi chủ yếu bao gồm các hợp chất hữu cơ và nước, trong đó các hợp chất hữu cơ khi phân hủy sẽ phát sinh các khí gây ô nhiễm như CO2, H2S, CH4, NH3, và N2O Những chất thải này từ hoạt động chăn nuôi đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho môi trường (Trương Lăng, 2010).
Hàng ngày, gia súc và gia cầm thải ra một lượng lớn phân và nước tiểu, chiếm từ 1,5 – 6% khối lượng cơ thể Các chất thải này chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm, với các chỉ tiêu ô nhiễm như BOD5, Ntổng và TS đều cao hơn so với chất thải của con người, theo tỷ lệ tương ứng là 5:1, 7:1 và 10:1 (Mai Thế Hào, 2016).
Khối lượng chất thải chăn nuôi phụ thuộc vào giống, độ tuổi, giai đoạn phát triển, khẩu phần ăn và trọng lượng của gia súc và gia cầm Đặc biệt, đối với gia súc, lượng phân và nước tiểu gia tăng nhanh chóng khi trọng lượng cơ thể tăng Trung bình, lượng phân thải ra hàng ngày của vật nuôi, đặc biệt là gia súc cao sản, rất lớn.
Bảng 2.2 Lượng phân gia súc, gia cầm thải ra hằng ngày tính trên % khối lượng cơ thể Loại gia súc Tỷ lệ % phân so với khối lượng cơ thể
Ngoài phân và nước tiểu, các nguồn thải từ thức ăn thừa, ổ lót, xác súc vật chết, vật dụng chăm sóc, nước tắm gia súc và vệ sinh chuồng nuôi cũng góp phần đáng kể vào khối lượng chất thải Những chất thải này là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và có khả năng lan truyền dịch bệnh nguy hiểm, do đó cần được xử lý đúng cách trước khi thải ra môi trường.
Bảng 2.3 Lượng chất thải chăn nuôi 1000 kg lợn trong 1 ngày
Chỉ tiêu Khối lượng (kg)
Nguồn: Mai Thế Hào (2016) 2.2.2 Thành phần chất thải chăn nuôi
Phân là sản phẩm thải loại từ quá trình tiêu hóa của gia súc và gia cầm, được bài tiết qua đường tiêu hóa Sản phẩm này là nguồn dinh dưỡng quý giá cho cây trồng và các sinh vật như cá, giun Tuy nhiên, do chứa nhiều chất hữu cơ, phân dễ dàng phân hủy thành các sản phẩm độc hại, có thể gây ô nhiễm cho động vật, con người và môi trường xung quanh Thành phần hóa học của phân rất đa dạng và phong phú.
- Các chất hữu cơ gồm các chất protein, carbonhydrate, chất béo và các sản phẩm trao đổi của chúng
- Các chất vô cơ bao gồm các hợp chất khoáng (đa lượng, vi lượng)
Nước chiếm 65-80% khối lượng của phân, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển nhanh chóng Hàm lượng nước cao và chất hữu cơ trong phân cũng dẫn đến sự phân hủy các chất hữu cơ, gây ra các sản phẩm có thể độc hại cho môi trường.
- Dư lượng của thức ăn bổ sung cho gia súc, gồm các thuốc kích thích tăng trưởng, các hormone hay dư lượng kháng sinh…
- Các men tiêu hóa của bản thân gia súc, chủ yếu là các men tiêu hóa sau khi sử dụng bị mất hoạt tính và được thải ra ngoài…
Các mô và chất nhờn tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hoá
- Các thành phần tạp từ môi trường thâm nhập vào thức ăn trong quá trình chế biến thức ăn hay quá trình nuôi dưỡng gia súc ( cát, bụi,…)
- Các yếu tố gây bệnh như các vi khuẩn hay ký sinh trùng bị nhiễm trong đường tiêu hoá gia súc hay trong thức ăn
Thành phần của phân có thể thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Chế độ dinh dưỡng của gia súc, gia cầm
Tỷ lệ tiêu hóa thức ăn của gia súc và gia cầm thường thấp, dẫn đến việc một lượng lớn chất dinh dưỡng bị thải ra qua phân và nước tiểu Việc thay đổi khẩu phần ăn sẽ làm thay đổi thành phần và tính chất của phân, từ đó tạo cơ sở để ngăn ngừa ô nhiễm từ chăn nuôi Điều này có thể đạt được bằng cách điều chỉnh chế độ dinh dưỡng, tăng cường quá trình tích lũy chất dinh dưỡng trong sản phẩm chăn nuôi và giảm lượng bài tiết qua phân (Từ Thị Linh, 2013).
- Loài và giai đoạn phát triển của gia súc gia cầm
Nhu cầu dinh dưỡng và khả năng hấp thu thức ăn của gia súc, gia cầm thay đổi theo từng giai đoạn phát triển Khi gia súc lớn lên, hệ số tiêu hóa giảm, dẫn đến lượng thức ăn thải ra trong phân tăng lên Do đó, thành phần và khối lượng phân cũng khác nhau ở các giai đoạn phát triển của chúng.
Bảng 2.4 Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 –100 kg Đặc tính Đơn vị Giá trị
Các axit mạch ngắn g/kg 3,83 – 4,47 pH 6,47 – 6,95
Trong giai đoạn tăng trưởng, nhu cầu dinh dưỡng của vật nuôi cao và khả năng đồng hóa thức ăn tốt, dẫn đến lượng chất thải ít Ngược lại, khi gia súc trưởng thành, nhu cầu dinh dưỡng giảm và khả năng đồng hóa thức ăn kém hơn, làm tăng lượng chất thải, đặc biệt ở gia súc sinh sản, gia súc lấy sữa và thịt.
Trong các hệ thống chuồng trại, phân gia súc và gia cầm thường tồn tại dưới dạng lỏng hoặc tương đối rắn, chứa nhiều chất dinh dưỡng, đặc biệt là nito và phospho, cung cấp nguồn thức ăn phong phú cho cây trồng và tăng độ màu mỡ của đất Việc sử dụng phân bón không chỉ tận dụng nguồn dinh dưỡng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường Theo nghiên cứu của Từ Thị Linh (2013), hàm lượng N tổng số trong phân heo dao động từ 8,99 - 9,47 g/kg, cho thấy giá trị dinh dưỡng cao và khả năng cải tạo đất khi sử dụng hợp lý Nguyễn Lân Dũng (2007) cũng đã chỉ ra thành phần Nito và Photpho tổng số của một số gia súc, gia cầm khác.
Bảng 2.5 Thành phần hóa học của phân gia súc, gia cầm
Thành phần hóa học (% trọng lượng vật nuôi)
Phân chứa nhiều loại vi sinh vật và kí sinh trùng, bao gồm cả vi khuẩn có lợi và có hại Trong số đó, vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceae như E.coli, Salmonella, Shigella, và Proteus chiếm ưu thế Theo kết quả phân tích của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng TP Hồ Chí Minh năm 2001, nhiều loại vi khuẩn gây bệnh có thể tồn tại từ 5 đến 15 ngày trong phân và đất Đặc biệt, virus gây bệnh viêm gan như Rheovirus và Adenovirus cũng được ghi nhận.
Theo nghiên cứu của viện, 1 kg phân có thể chứa từ 2.100 đến 5.000 trứng giun sán, chủ yếu là Ascarisium (39 – 83%), Oesophagostomum (60 – 68,7%) và Trichocephalus (47 – 58,3%) Sự phát triển và gây hại của các loại giun sán này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm quá trình thu gom, lưu trữ và sử dụng phân, cũng như các điều kiện môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, ánh sáng, kết cấu đất và thành phần chất trong phân (Từ Thị Linh, 2013).
2.2.2.2 Thức ăn thừa, ổ lót chuồng và các chất thải khác
Các biện pháp và công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi
Quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi hiệu quả là cách tốt nhất để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Phân và nước tiểu chăn nuôi có khả năng gây ô nhiễm thấp ngay khi mới thải ra, nhưng nguy cơ này tăng lên khi chúng bị để lâu Do đó, việc xử lý chất thải chăn nuôi ngay từ khi phát sinh là rất cần thiết để hạn chế tác động xấu đến môi trường.
Việc thu gom và vận chuyển phân và nước tiểu gia súc ra khỏi chuồng trại chăn nuôi sớm là rất quan trọng để ngăn ngừa ô nhiễm chuồng và gia súc, đồng thời giảm thiểu mùi hôi và thu hút côn trùng Điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc dọn dẹp chuồng trại, giúp tiết kiệm điện nước Tùy thuộc vào tình trạng phân và điều kiện chăn nuôi, có thể áp dụng các kỹ thuật thu gom như hót phân rắn hoặc xịt rửa để phân trôi theo dòng chảy vào những thời điểm thích hợp trong ngày.
Việc thu gom và vận chuyển chất thải có thể thực hiện bằng nước bơm xịt, thùng chứa, sọt hoặc bao Nơi lưu trữ phân cần được thiết kế là hố chứa, bể lắng hoặc thùng đựng kín để đảm bảo an toàn trong quá trình xử lý Quan trọng là khu vực lưu trữ phân phải được cách biệt với chuồng trại chăn nuôi nhằm bảo vệ sức khỏe cho gia súc.
Việc xử lý chất thải chăn nuôi trở nên rất quan trọng, đặc biệt trong điều kiện chăn nuôi chật hẹp, nhất là khi nằm gần khu dân cư Hệ thống xử lý chất thải cần được thiết kế theo tiêu chuẩn kỹ thuật và trang bị đầy đủ thiết bị để xử lý cả chất thải rắn và lỏng trước khi thải ra môi trường (Từ Thị Linh, 2013).
2.3.1 Phương pháp xử lý vật lý
Các phương pháp vật lý thường được sử dụng để tách chất thải rắn khỏi chất thải lỏng nhằm xử lý hiệu quả Chất thải rắn sau khi được tách có thể được xử lý bằng cách ủ hoặc đốt trước khi biến thành phân bón Phương pháp đốt chất thải rắn được đánh giá cao về an toàn vệ sinh, giúp tiêu diệt bào tử vi khuẩn Quy trình này khá đơn giản, chỉ cần đào một hố, lót rơm hoặc mùn cưa, sau đó đặt xác động vật, phân hay chất thải rắn lên, đậy lại bằng gỗ, đổ nhiên liệu và tiến hành đốt Một phương pháp khác để xử lý chất thải chăn nuôi là sử dụng hầm Biogas, hay còn gọi là hệ thống khí sinh học.
Tùy thuộc vào địa điểm và quy mô trang trại, có thể lựa chọn loại hầm Biogas phù hợp để xử lý chất thải chăn nuôi Hệ thống khí sinh học không chỉ giúp giảm khí thải methane, một trong những tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, mà còn sản xuất năng lượng sạch, mang lại lợi ích thiết thực cho môi trường.
Tính đến năm 2014, cả nước đã có hơn 500.000 công trình khí sinh học, sản xuất khoảng 450 triệu m³ khí gas mỗi năm Việc sử dụng hầm Biogas ngày càng được người chăn nuôi chú trọng, không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn thay thế nguồn chất đốt truyền thống, cung cấp năng lượng cho máy phát điện, phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt gia đình và hoạt động trang trại.
Hình 2.3 Xây dựng hầm Biogas composite và túi khí dự trữ
2.3.3 Xử lý chất thải bằng chế phẩm sinh học
Từ những năm 1980, các chế phẩm vi sinh vật hữu hiệu (EM) đã được sử dụng để giảm ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi Ban đầu, các chế phẩm này được nhập khẩu từ nước ngoài, nhưng hiện nay, chúng đã được sản xuất rộng rãi trong nước.
Sử dụng men sinh học với 22 điểm phù hợp với điều kiện tự nhiên và khí hậu Việt Nam, mang lại nhiều lợi ích Men sinh học được ứng dụng đa dạng, như bổ sung vào nước thải, phun vào chuồng nuôi, và trộn vào thức ăn, giúp giảm mùi hôi và cải thiện chất lượng môi trường.
Chăn nuôi trên đệm lót sinh học sử dụng phế thải từ chế biến lâm sản và phụ phẩm nông nghiệp như phôi bào, mùn cưa, thân cây ngô, đậu, rơm, trấu, và vỏ cà phê, được cắt nhỏ và bổ sung chế phẩm sinh học Chế phẩm này chứa các vi sinh vật hữu ích như Bacillus, Lactobacillus, Streptomyces, Saccharomyces, và Aspergillus, nhằm tạo ra một lượng lớn vi sinh vật có lợi trong đệm lót chuồng Mục tiêu là phát triển vi sinh vật có lợi cho đường ruột, sản sinh chất ức chế để tiêu diệt vi sinh vật có hại, và phân giải chất hữu cơ từ phân gia súc gia cầm, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Hình 2.4 Chăn nuôi trên đệm lót sinh học 2.3.4 Xử lý chất thải bằng ủ phân hữu cơ (Compost)
Xử lý chất thải bằng phương pháp ủ phân hữu cơ (Compost) là một quy trình sử dụng chủ yếu bã phế thải thực vật và phân động vật, qua sự phân hủy của vi sinh vật để tạo ra phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng cho cây trồng Để thực hiện, cần chọn đất không ngập nước, trải lớp rác dày khoảng 20cm, sau đó lót thêm lớp phân gia súc hoặc gia cầm chiếm 20-50% so với rác Tiếp theo, tưới nước để đạt độ ẩm 45-50% và tiếp tục thêm lớp rác cho đến khi đống ủ đủ chiều cao Che kín đống phân ủ bằng ni lông hoặc bạt và đảo đều mỗi tuần, bổ sung nước khi cần thiết Phương pháp ủ này dựa vào sự lên men tự nhiên, giúp tiêu diệt mầm bệnh và có khả năng phân hủy cả xác động vật khi lượng phế thải thực vật đủ lớn.
Hình 2.5 Xử lý chất thải chăn nuôi bằng phương pháp ủ phân hữu cơ
2.3.5 Xử lý bằng công nghệ ép tách phân Đây là công nghệ hiện đại được nhập vào nước ta chưa lâu nhưng rất hiệu quả và đang được nhiều nhà chăn nuôi quan tâm áp dụng Dựa trên nguyên
Máy ép với 24 tắc lưới lọc có khả năng tách hầu hết các tạp chất nhỏ trong chất thải chăn nuôi, giúp giữ lại các chất rắn để xử lý riêng, trong khi nước chảy ra ngoài hoặc vào hầm Biogas Độ ẩm của phân khô có thể được điều chỉnh theo mục đích sử dụng Mặc dù đầu tư ban đầu cao, quy trình này rất hiện đại, nhanh chóng, tiết kiệm diện tích và là một trong những biện pháp hiệu quả nhất cho các trang trại chăn nuôi lợn và trâu bò theo hướng công nghiệp hiện nay.
2.3.6 Xử lý nước thải bằng oxy hóa
2.3.6.1 Xử lý bằng sục khí
Nước thải tiếp xúc nhiều với không khí giúp quá trình oxy hóa diễn ra nhanh và mạnh, đồng thời kích thích quá trình lên men hiếu khí, chuyển hóa các chất hữu cơ và độc hại thành các chất ít gây hại cho môi trường Sau khi lắng lọc, nước thải được giảm ô nhiễm và có thể sử dụng để tưới cho ruộng đồng.
2.3.6.2 Xử lý bằng Hidro peroxit (H2O2)
Hidro peroxit H2O2 được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như tẩy rửa vết thương trong y tế, làm chất tẩy trắng trong công nghiệp, chất tẩy uế và chất ôxi hóa Ngoài ra, H2O2 còn có thể được thêm vào nước thải để xử lý môi trường Thông thường, H2O2 phân hủy tự nhiên thành nước và khí oxy thông qua phản ứng tỏa nhiệt.
Tình hình nghiên cứu xử lý chất thải chăn nuôi trên thế giới và Việt Nam
2.4.1 Cơ sở khoa học của việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng chế phẩm vi sinh
Chất thải chăn nuôi chứa nhiều hợp chất từ thức ăn, và việc sử dụng chế phẩm vi sinh có thể tăng cường tốc độ phân giải các hợp chất này.
Xenlulo (glucan) là hợp chất cao phân tử được tạo ra từ các gốc β-D–glucozo thông qua liên kết β–1,4 – glucozơ, nhờ vào khả năng tự dưỡng dưới ánh sáng mặt trời của thực vật Là thành phần chính trong rơm rạ, xenlulo rất khó phân hủy, và quá trình này yêu cầu một hệ enzyme phối hợp chặt chẽ để bẻ gãy mạch xenlulo, từ đó tạo ra đường glucose.
Hệ sinh vật phân hủy xenlulo bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc, với khả năng tiết ra enzyme thủy phân xenlulo vào môi trường.
Hệ enzyme này gồm 3 enzym là endoglucanaza, exoglucanaza và β – glucozidaza Quá trình thủy phân glucan theo trình tự sau:
Xenlulozơ endogluana za Xenlulozơ exoglucana za Xenlobiozơ xenlobiaza Glucozơ tự nhiên hoạt động
Enzym endogluanaza là một loại enzyme không đặc hiệu, có vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân xenlulozo tự nhiên Nó làm trương xenlulozo thành các chuỗi ngắn hơn, sau đó enzyme exoglucanaza tiếp tục phân cắt để tạo ra các đường tan như xenlobiozo, cuối cùng chuyển hóa thành glucozo.
Nấm là vi sinh vật chủ yếu phân hủy polysaccarit, đặc biệt là glucan (xenlulozơ), tạo ra mùn Trong số các loại nấm, Tricoderma viside (reesei) được nghiên cứu nhiều nhất vì tiết ra lượng lớn enzym, chủ yếu là xenlulaza, có khả năng phân hủy xenlulo Ngoài nấm, quá trình thủy phân xenlulo còn diễn ra nhờ các vi sinh vật khác như vi khuẩn (Cytophaga, Sporocytophaga, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cellulomonas, Pseudomonas), nấm sợi (Penicillium, Aspergillus, Mucor, Tricoderma, Rhizopus) và xạ khuẩn (Actinomyces, Streptomyces, Actinopolysprora, Pseudonocardia) (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
Hemixenlulo (xylan) là một phức hệ bao gồm Endo-1,4-β-D-mannaza và 1,4-β-D-xylozidaza Enzym mannaza có chức năng thủy phân xylan thành các oligosaccarit hòa tan trong nước, sau đó enzym xylozidaza tiếp tục quá trình thủy phân Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là xyloza và mannozo.
Các enzym hemixenlulo (xylanaza) rất phổ biến trong tự nhiên và được sinh ra từ vi sinh vật trong đất, nước và dạ cỏ của động vật nhai lại Những enzym này chủ yếu được sản xuất bởi các chủng vi sinh vật như nấm Tricoderma, Aspergillus và Fusarium Đặc biệt, nấm Tricoderma khi phát hiện trên xác thực vật có khả năng sinh ra một lượng lớn xylanaza, giúp phân hủy không chỉ xylan mà còn cả glucan, cacbonxy-methyl-xenlulozo, P-nitrophenyl-β-glucozit và xylosligome.
Vi khuẩn, đặc biệt là Bacillus, có khả năng sinh ra xylanaza tổ hợp, enzym này có khả năng thủy phân rơm rạ chứa arabinoxylan Sản phẩm chính của quá trình này là xylobiozo và một lượng nhỏ xylooligosaccarit có độ trùng hợp cao Enzym endoxylanaza phân hủy xylan từ rơm rạ và gỗ thông rụng lá, giải phóng xylobiozo và xylozo Các loài xạ khuẩn cũng tham gia vào quá trình phân hủy xylan, tạo ra xylobiozo.
Trong giai đoạn đầu của quá trình thủy phân, 28 thành phần sẽ được hình thành Tiếp theo, xylooligosaccarit có độ trùng hợp thấp sẽ tiếp tục phản ứng thủy phân để phân hủy thành xylobiozo và xylozo (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
Pectin là một hợp chất polygalacturonic cao phân tử, có nhiều trong quả, củ, hạt và thân thực vật Khi được phân giải, pectin tạo ra axit D galacturonic, sản phẩm cuối cùng của quá trình này.
Pectin không tan → pectin hòa tan → axit pectin + rượu metylic → acid D galacturonic
Pectin được phân giải bởi enzym pecticnaza, do một số loài vi khuẩn và nấm mốc sản sinh Trong quá trình xử lý xác thực vật, nấm đóng vai trò chủ yếu trong việc phân hủy pectin, trong khi vi khuẩn đảm nhiệm vai trò này trong điều kiện kị khí Một số vi sinh vật gây bệnh thực vật, như Botrytis cinnerea và Fusarium oxysporum, tiết enzym hòa tan pectin, trong khi Erwvinia caratovora gây tan mô ở xà lách và cà rốt Số lượng vi sinh vật phân hủy pectin trong đất rất lớn, lên tới 10^5 tế bào/gam đất, với các vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus macerans và Bacillus polimisa là những tác nhân phân hủy pectin mạnh mẽ nhất.
Quá trình thủy phân lipit do vi sinh vật sản sinh enzym lipaza nội tại bắt đầu bằng sự thủy phân, chuyển đổi lipit thành glyxerin và axit béo Glyxerin sau khi photphorin hóa sẽ được chuyển hóa qua đường Embden-Meyerhof-Panas, dẫn đến tích lũy năng lượng ATP Các axit béo tiếp tục được đồng hóa qua quá trình β-oxy hóa, giải phóng nhiệt và làm ấm môi trường cho vi sinh vật ưa nhiệt, đồng thời giải phóng CO2 phục vụ cho quang hợp (Nguyễn Xuân Thành và cs., 2015).
Protein là hợp chất cao phân tử chứa nito, chiếm khoảng 15-17% khối lượng, là thành phần chính của chất nguyên sinh Chúng bị phân hủy bởi các enzym ngoại bào thành các mảnh nhỏ hơn, bao gồm oligopeptit và axit amin, có khả năng xâm nhập vào tế bào Vi sinh vật hấp thụ oligopeptit qua các hệ thống vận chuyển đặc hiệu, sau đó chúng được phân hủy thành axit amin nhờ proteaza nội bào Các axit amin này có thể được sử dụng để tổng hợp protein trong tế bào hoặc tham gia vào các con đường trao đổi chất đặc biệt, nơi chúng được oxy hóa hoàn toàn.
Protein → Polypeptit → Oligopepetit → Axit amin → NH3
Microorganisms capable of protein degradation include various bacteria such as Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, Bacillus subtilis, Proteus vulgaris, and Chromobacterium prodigiosum Additionally, actinomycetes like Streptomyces griseus and Streptomyces rimosus play a role in this process Fungi such as Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus, Aspergillus niger, Penicillium camemberti, and Mucor are also significant contributors to protein breakdown (Nguyễn Xuân Thành et al., 2015).
Tinh bột là hợp chất hydratcacbon cao phân tử chủ yếu có trong hạt ngũ cốc và rơm rạ, bao gồm hai thành phần chính là Amylose (25%) và Amylopectin (75%) Việc phân giải tinh bột diễn ra nhờ các vi sinh vật sản sinh enzyme amylaza ngoại bào, giúp chuyển đổi tinh bột thành các hợp chất đơn giản hơn như dextrin, đường maltozo và gluco Enzyme amylaza thường có mặt trong các hạt củ mầm và môi trường nuôi cấy vi sinh vật chứa tinh bột, với các vi sinh vật như nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng sản sinh enzyme này.
Các enzym amylaza gồm có α – amylaza, β – amylaza và γ – amylaza (gluco – amylaza)
α – amylaza thủy phân tinh bột cho các chất dextrin là sản phẩm chính và một ít đường maltozơ hoặc gluco, chủ yếu làm loãng hồ tinh bột
β – amylaza thủy phân tinh bột cho các sản phẩm chính là maltozơ (đường mạch nha)
γ – amylaza thủy phân tinh bột thành gluco
Amylaza ở thực vật thường chỉ có α và β – amylaza, ở nấm mốc có cả 3 enzym, ở vi khuẩn giàu α – amylaza (Nguyễn Trọng Nam, 2014)
Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Mô hình liên kết ứng dụng công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi gia súc có hiệu quả, đạt tiêu chuẩn theo Nghị định 108/2017/ND-CP.
Phạm vi nghiên cứu
- Chất thải chăn nuôi: Lợn
- Cây trồng: Rau xà lách (Lactuca sativa)
- Địa điểm nghiên cứu: Học viện nông nghiệp Việt Nam
- Thời gian: Từ tháng 4/2017 đến tháng 5/2018.
Nội dung nghiên cứu
3.3.1 Xây dựng mô hình liên kết ứng dụng công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi gia súc để sản xuất phân bón hữu cơ
+ Thiết kế hệ thống cơ học xử lý chất thải chăn nuôi lợn
+ Hệ thống xử lý chất thải lỏng
+ Phương pháp xử lý chất thải rắn
3.3.2 Đánh giá chất lượng phân hữu cơ bột và phân hữu cơ lỏng
3.3.3 Đánh giá hiệu quả của mô hình
+ Hiệu quả của phân hữu cơ trên cây trồng
Phương pháp nghiên cứu
3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp
Nghiên cứu tài liệu về mô hình liên kết ứng dụng công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi thành phân bón hữu cơ được thực hiện từ các nguồn như báo, tạp chí khoa học, website, thông tin trên internet, ấn phẩm nghiên cứu khoa học và sách, tư liệu liên quan.
3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi gia súc để sản xuất phân bón hữu cơ Đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ trên cây trồng theo phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng gồm 3 công thức; 3 lần lặp; trồng trong chậu đất 5 kg, bón phân theo nền thâm canh
+ CT2: ẵ nền + phõn hữu cơ
+ CT3: ẳ nền + phõn hữu cơ
- Công thức 1: Sử dụng sử dụng 1,5 kg phân vô cơ
- Công thức 2: Sử dụng 0,75 kg phân vô cơ; 1,3kg phân hữu cơ.
- Công thức 3: Sử dụng 0,375kg phân vô cơ; 2,6 kg phân hữu cơ.
+ Sinh trưởng và phát triển của cây, năng suất, tỉ lệ sâu bệnh bằng đo đếm trực tiếp
3.4.3 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Phương pháp phân tích đất, chất lượng phân bón theo các phương pháp thông dụng hiện hành theo TCVN
Bảng 3.1 Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Chỉ số Phương pháp TCVN
NO3 - Phương pháp so màu TCVN 5247:1990
Asen Dùng phương pháp bạc
Chì phương pháp trắc quang Dithizon TCVN 7602:2007 thủy ngân Phương pháp quang phổ TCVN 7602:2007 Đồng Phương pháp quang phổ TCVN 6541:1999
Coliforms Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 4829:2005
E.coli Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 6846:2007
P2O5% Phương pháp so màu TCVN 8563:2010
K2O% Phương pháp quang phổ TCVN 8660:2011
Photpho dễ tiêu Phương pháp Olsen TCVN 8661:2011
Kali dễ tiêu Phương pháp Matslova TCVN 8560:2010
OC% Phương pháp Walkley-black TCVN 9294:2012
Vi sinh vật phân giải xenlulo
Phương pháp khuẩn lạc TCVN 6168:2002
E.coli Phương pháp đếm khuẩn lạc TCVN 6846:2007
3.4.4 Phương pháp xử lý thống kê
+ Sử dụng phầm mềm Excel và phần mềm IRISTAT để xử lý thống kê.