Tài liệu Phân lập và tuyển chọn các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------ NGUYỄN ĐÌNH TRÁNG PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN CÁC VI KHUẨN NITRAT HÓA CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BIOGAS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Hà Nội – năm 2017 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------ NGUYỄN ĐÌNH TRÁNG PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN CÁC VI KHUẨN NITRAT HÓA CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BIOGAS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ sinh học NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Lương Hữu Thành 2. PGS.TS. Nguyễn Lan Hương Hà Nội – năm 2017 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày… tháng…năm… Tác giả luận văn NGUYỄN ĐÌNH TRÁNG Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page i Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy TS. Lương Hữu Thành và PGS.TS Nguyễn Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ công tác tại Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dạy dỗ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Bộ môn Sinh học Môi trường – Viện Môi trường Nông nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên, giúp đỡ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bản luận văn này! Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 20... Học viên Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page ii Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC........................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ vii LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...........................................................3 1.1. Hiện trạng chăn nuôi và quản lý chất thải chăn nuôi ...............................3 1.2. Công nghệ Biogas ..................................................................................6 1.2.1. Giới thiệu về biogas .......................................................................6 1.2.2. Lợi ích của biogas ..........................................................................8 1.2.3. Hiện trạng xây dựng, lắp đặt hệ thống biogas tại Việt Nam ............9 1.2.4. Chất lượng nước thải chăn nuôi sau biogas ................................... 15 1.3. Các phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải có chứa hợp chất nitơ ......... 16 1.3.1. Xử lý các hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp hóa học ............. 16 1.3.2. Phương pháp sinh học .................................................................. 17 1.4. Vai trò của vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ và vi khuẩn nitrat hóa trong loại bỏ nitơ sinh học trong nước thải. ................... 18 1.5. Tình hình nghiên cứu vi khuẩn nitrat hóa trên thế giới và tại Việt Nam trong thời gian gần đây ............................................................................... 23 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................ 23 1.5.2. Tình hình nghiên cứu vi khuẩn nitrat hóa tại Việt Nam trong thời gian gần đây ........................................................................................... 23 CHƯƠNG 2. VÂT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 25 2.1. Địa điểm nghiên cứu ............................................................................ 25 2.2. Thời gian nghiên cứu ........................................................................... 25 2.3. Đối tượng nghiên cứu........................................................................... 25 2.4. Dụng cụ và hóa chất ............................................................................. 25 2.5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 26 2.5.1. Phương pháp lấy mẫu ................................................................... 26 Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page iii Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học 2.5.2. Phương pháp phân tích và xác định tính chất nước thải ................ 27 2.5.3. Phương pháp phân lập chủng vi khuẩn có khả năng nitrat ............ 29 2.5.4. Nghiên cứu, xác định đặc điểm hình thái khuẩn lạc, hình thái tế bào và một số đặc điểm sinh hóa của chủng vi khuẩn được phân lập ............ 31 2.5.5. phương pháp định danh và đánh giá độ an toàn sinh học của chủng tuyển chọn ............................................................................................. 33 2.5.6. Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng, phát triển đối với chủngvi khuẩn được tuyển chọn ................................. 35 2.5.7. Khảo sát khả năng ứng dụng chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas. ...................................... 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................... 37 3.1. Khảo sát chất lượng nước thải chăn nuôi sau biogas ............................. 37 3.2. Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn có khả năng nitrit và nitrat hóa ............. 38 3.2.1. Phân lập chủng vi khuẩn có khả năng nitrit hóa ............................ 38 3.2.2. Tuyển chọn chủng vi khuẩn có khả năng ôxy hóa amoni (nitrit hóa) ... 39 3.2.3. Phân lập vi khuẩn có khả năng oxy hóa nitrit thành nitrat ............. 42 3.2.4. Tuyển chọn chủng vi khuẩn có khả năng oxy hóa nitrit thành nitrat....... 44 3.3. Định danh và xác định độ an toàn của chủng vi khuẩn được tuyển chọn ..... 46 3.3.1. Định danh chủng tuyển chọn ........................................................ 46 3.3.2. Đánh giá mức độ an toàn sinh học của chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 ........................................................................................... 52 3.4. Khảo sát ảnh hưởng một số điều kiện nuôi cấy tới sự sinh trưởng và phát triển của chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 .................................... 53 3.4.1. Thời gian nuôi cấy ........................................................................ 53 3.4.2. Nhiệt độ nuôi cấy ......................................................................... 54 3.4.3. pH nuôi cấy .................................................................................. 55 3.5. Bước đầu khảo sát khả năng ứng dụng chủng vi sinh vật trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas.................................................................... 56 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 63 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 70 Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page iv Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT N Ni tơ Nts Ni tơ tổng số QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSS Total solid suspended VFAs Volatile fatty acids AOB Vi khuẩn oxi hóa amon (ammonia-oxidizing bacteria) BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học MLVSS Hàm lượngchất rắn lơ lửng dễ bay hơi NOB Vi khuẩn oxi hóa nitrit (nitrite-oxidizing bacteria) VSV Vi sinh vật Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page v Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Số lượng gia súc, gia cầm giai đoạn 2000 – 2015 ................................3 Bảng 1.2. Giá trị sản phẩm chăn nuôi giai đoạn 2000 - 2013 ...............................4 Bảng 1.3. Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến cuối năm 2015 .........................5 Bảng 1.4. Một số đặc tính cơ lý và cấu trúc cơ bản của Nitrosomonas và Nitrobacter ........................................................................................................ 19 Bảng 1.5. Đặc điểm của một số vi sinh vật dị dưỡng có khả năng nitrat hóa ...... 22 Bảng 2.1. Số mẫu; địa diểm lấy mẫu và đặc tính hầm khí sinh học khi lấy mẫu nước thải ........................................................................................................... 26 Bảng 2.2. Trình tự mồi 27F và 1492R (Innis và cộng sự, 1990) ......................... 34 Bảng 3.1. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa lý trong nước thải chăn nuôi sau biogas ................................................................................................................ 37 Bảng 3.2. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào của các chủng vi khuẩn được phân lập.......................................................................................... 38 Bảng 3.3. Đặc điểm khuẩn lạc và hình thái tế bào của 3 chủng vi khuẩn được phân lập ............................................................................................................. 43 Bảng 3.4. Mức độ tương đồng và thông tin định danh chủng vi khuẩn N4 ......... 48 Bảng 3.5. Đặc tính sinh hóa của chủng vi khuẩn N4 .......................................... 49 Bảng 3.6. Mức độ tương đồng và định danh chủng vi khuẩn N7 ........................ 50 Bảng 3.7. Một số đặc tính sinh hóa của chủng vi khuẩn N7 ............................... 51 Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page vi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Quá trình tạo biogas bởi phân giải kị khí ..............................................6 Hình 1.2. Mẫu biogas kiểu KT01 ....................................................................... 11 Hình 1.3. Mẫu biogas kiểu KT02 ....................................................................... 11 Hình 1.4. Mẫu hầm khí sinh học kiểu compozit ................................................. 13 Hình 1.5. Chu trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ trong tự nhiên .............. 18 Hình 3.1. Hiệu suất chuyển hóa amoni của các chủng vi khuẩn N1; N2; N3; N4 ...... 40 Hình 3.2. Sự thay đổi hàm lượng amoni và hàm lượng nitrit trong môi trường nuôi cấy chủng N1; N2; N3; N4 ........................................................................ 41 Hình 3.3. Sự thay đổi hàm lượng nitrit và hàm lượng nitrat trong môi trường nuôi cấy chủng vi khuẩn N5; N6; N7......................................................................... 44 Hình 3.4. Sự thay đổi hàm lượng amoni và nitrit trong nuôi cấy chủng vi khuẩn N7 ..................................................................................................................... 45 Hình 3.5. So sánh mức tương đồng với chủng vi sinh vật khác dựa trên phần mềm blast .......................................................................................................... 48 Hình 3.6. So sánh mức tương đồng với chủng vi sinh vật khác dựa trên phần mềm blast .......................................................................................................... 51 Hình 3.7. Sự phát triển chủng vi khuẩn N4 theo thời gian nuôi cấy,................... 53 Hình 3.8. Sự phát triển của chủng N7 theo thời gian nuôi cấy............................ 53 Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh trưởng của chủng vi khuẩn N4 ....................................................................................................... 54 Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh trưởng của chủng vi khuẩn N7 ....................................................................................................... 55 Hình 3.11. Ảnh hưởng của pH môi trường đến khả năng sinh trưởng của .......... 55 chủng vi khuẩn N4 ............................................................................................ 55 Hình 3.12. Ảnh hưởng của pH môi trường đến khả năng sinh trưởng của chủng vi khuẩn N7 ........................................................................................................... 56 Hình 3.13. Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 trong nước thải chăn nuôi sau biogas ................................................. 57 Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page vii Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học Hình 3.14. Sự thay đổi hàm lượng nitrit và nitrat trong nước thải chăn nuôi biogas với thí nghiệm có bổ sung chủng vi khuẩn N4; N7 và không bổ sung chủng vi khuẩn N4; N7...................................................................................... 58 Hình 3.15. Sự thay đổi hàm lượng amoni trong nước thải khi bổ sung chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 ........................................................................ 59 Hình 3.16. Sự thay đổi hàm lượng nitrit và hàm lượng nitrat trong mẫu nước thải khi bổ sung chủng vi khuẩn N4 và chủng vi khuẩn N7 ..................................... 60 Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page viii Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi tại Việt Nam đang phát triển rất tích cực, tăng về quy mô sản xuất, số lượng cá thể, chất lượng và giá trị sản phẩm [10]. Đây là kết quả đáng ghi nhận, với việc góp phần giải quyết nhu cầu thực phẩm ngày càng tăng của xã hội. Tuy nhiên, vấn đề xử lý chất thải chăn nuôi là rất cấp bách. Theo thống kê, mỗi năm ngành chăn nuôi nước ta sản sinh một lượng chất thải bao gồm hơn 80 triệu tấn thải rắn, 25-30 triệu mét khối nước thải. Hiện tại, công nghệ biogas là một giải pháp thích hợp được lựa chọn để xử lý nguồn chất thải này. Dẫu vậy, một số nghiên cứu và điều tra thực tế đã chỉ ra rằng chất lượng nước thải sau biogas chưa đủ tiêu chuẩn để xả thải theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 62-MT:2016/BTNMT, đặc biệt là hàm lượng nitơ trong nước thải vẫn cao hơn hàng chục lần cho phép [13]. Hàm lượng nitơ trong nguồn nước thải này tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, chủ yếu là: amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Hàm lượng nitơ trong nước cao gây ra tác động tiêu cực đối với môi trường, ví dụ như: cạn kiệt nguồn oxy hòa tan trong nước gây độc cho động - thực vật thủy sinh, ảnh hưởng xấu đến con người [55]. Do vậy, nước thải sau biogas cần tiếp tục được xử lý để đảm bảo chất lượng môi trường. Việc lựa chọn một giải pháp xử lý phù hợp để đảm bảo chất lượng nước thải sau biogas là vô cùng cần thiết. Sử dụng biện pháp sinh học để xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas nhận được nhiều sự quan tâm, do đây là phương pháp an toàn, thân thiện với môi trường, chi phí thấp mà vẫn đem lại hiệu quả cao. Quy trình loại bỏ nitơ trong nước thải bao gồm: quá trình nitrat hóa và quá trình phản nitrat hóa. Quá trình nitrat hóa xảy ra theo 2 bước là giai đoạn nitrit và giai đoạn nitrat hóa. Bước đầu tiên là giai đoạn nitrit hóa: amoni được oxi hóa thành nitrit nhờ các vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB). Bước thứ 2 là giai đoạn nitrat hóa: nitrit được oxi hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB). Với mong muốn thúc đẩy nhanh quá trình xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi sau biogas, luận văn tiến hành “Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa có khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas”. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học Mục tiêu nghiên cứu: Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa amoni, chuyển hóa nitrit nhằm ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas. Nội dung nghiên cứu: 1. Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa amoni trong nước thải. 2. Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitrit trong nước thải. 3. Định danh và xác định độ an toàn sinh học của chủng vi khuẩn được tuyển chọn 4. Khảo sát khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước thải của chủng vi khuẩn. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 2 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Hiện trạng chăn nuôi và quản lý chất thải chăn nuôi Chăn nuôi chiếm một tỷ phần quan trọng trong hệ thống sản xuất nông nghiệp. Trong 6 năm gần đây, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đã phát triển theo định hướng cụ thể, coi trọng việc sản xuất sản phẩm gia súc, gia cầm nhằm đáp ứng tiêu dùng trong nước và xuất khẩu. Giá trị sản xuất của ngành chăn nuôi đạt mức tăng trưởng vào khoảng 5,4% bình quân hàng năm, trong khi đó tổng giá trị sản xuất của toàn ngành nông nghiệp chỉ đạt mức tăng trưởng bình quân 4,5% hàng năm [2]. Bảng 1.1. Số lượng gia súc, gia cầm giai đoạn 2000 – 2015 Năm Loại vật nuôi (1000 con) Trâu Bò Lợn Dê, cừu Gia cầm 2000 2.897,2 4.127,9 20.193,8 543,9 196.100 2001 2.807,9 3.899,7 21.800,1 571,9 218.100 2002 2.814,5 4.062,9 23.169,5 621,9 233.300 2003 2.834,9 4.394,4 24.884,6 780,4 254.600 2004 2.869,8 4.907,7 26.143,7 1.022,8 218.200 2005 2.922,2 5.540,7 27.435,0 1.314,1 219.900 2006 2.921,1 6.510,8 26.855,3 1.525,3 214.600 2007 2.996,4 6.725,7 26.560,7 1.777,7 226.000 2008 2.897,7 6.337,7 26.701,6 1.483,4 248.300 2009 2.886,6 6.103,3 27.627,7 1.375,1 280.200 2010 2.877,0 5.808,3 27.373,1 1.288,4 300.500 2011 2.712,0 5.436,6 27.056,0 1.267,8 322.600 2012 2.627,8 5.194,2 26.494,0 1.343,6 308.500 2013 2559,5 5156,7 1466,3 26264,4 317,7 2014 2521,4 5234,3 1668,9 26761,4 327,7 Sơ bộ 2015 2524 5367,2 27750,7 341,9 1885,2 Nguồn: tổng cục thống kê, 2015 Bảng số liệu 1.1 cho thấy đàn gia súc, gia cầm của nước ta tăng liên tục theo các năm với mức cao. Giá trị sản phẩm chăn nuôi giai đoạn 2000-2015 được trình Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 3 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học bày trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Giá trị sản phẩm chăn nuôi giai đoạn 2000 - 2013 Giá trị sản phẩm Tỷ trọng trong chăn nuôi ( tỷ đồng) nông nghiệp (%) 2000 24907,6 19,3 106,7 2001 25439,1 19,6 102,1 2002 30500,7 21,0 119,9 2003 34367,2 22,3 112,7 2004 37236,6 21,6 108,3 2005 45096,2 24,6 121,1 2006 48333,1 24,4 107,2 2007 57618,4 24,3 119,2 2008 102200,9 27,1 177,4 2009 116576,7 27,1 114,1 2010 135137,1 25,1 115,9 2011 199171,8 25,3 147,4 2012 200849,8 26,9 100,8 Sơ bộ 2013 196955,1 26,3 98,1 Năm Chỉ số phát triển (%) Nguồn: Cục Chăn nuôi, 2016. Trong giai đoạn hiện nay, ngành chăn nuôi nước ta đã và đang phát triển theo hướng trang trại quy mô tập trung, hàng trăm nhà máy chế biến thức ăn, xí nghiệp giết mổ đã được thành lập, tạo công ăn việc làm cho nhiều người lao động, đóng góp một phần đáng kể cho ngân sách quốc gia. Có thể nói phát triển chăn nuôi theo quy mô trang trại là hình thức chăn nuôi tập trung số lượng lớn vật nuôi có áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật và các biện pháp quản lý kinh tế chăn nuôi nhằm tìm kiếm một hệ thống sản xuất cho phép thu được lợi nhuận cao nhất một cách lâu dài. Sử dụng hoàn toàn thức ăn công nghiệp trong các trang trại chăn nuôi là giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí, sức lao động lại cung cấp đầy đủ cân đối dinh dưỡng và hợp vệ sinh cho vật nuôi sinh trưởng phát triển. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học Bảng 1.3. Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến cuối năm 2015 Vùng chăn nuôi Số lượng trang trại Đồng bằng sông Hồng 5998 Trung du và miền núi phía Bắc 1327 Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung 1390 Tây Nguyên 907 Đông Nam Bộ 3886 Đồng bằng sông Cửu Long 1560 Cả nước 15068 Nguồn: Tổng cục thống kê, 2015 Tính đến cuối năm 2015, số lượng trang trại chăn nuôi của nước ta là mười lăm nghìn không trăm sáu mươi tám trang trại [10]. Phân bố trang trại bao gồm: ở vùng Đồng bằng sông Hồng và vùng Đông Nam Bộ là 2 khu vực có lượng trang trại chăn nuôi lớn nhất cả nước, số trang trại chăn nuôi còn lại phân bố đều ở Trung du và miền núi phía Bắc, Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung, Đồng bằng sông Cửu Long và lượng trang trại ít nhất tại khu vực Tây Nguyên. Đối với chăn nuôi lợn nái và lợn thịt, quy mô trang trại chăn nuôi tương đối nhỏ, số trang trại chăn nuôi lợn nái và trang trại chăn nuôi lợn thịt đa số có quy mô dưới 100 con. Như vậy, với quy mô chăn nuôi trang trại như hiện nay có thể đáp ứng được đủ nguyên liệu cho biogas. Đối với chăn nuôi trang trại bò, trên 80% trang trại chăn nuôi bò có quy mô dưới 100 con. Tuy nhiên, vấn đề chăn nuôi bò ở nước ta vẫn chủ yếu là chăn nuôi phân tán, việc thu gom phân trâu bò nhất là tại các tỉnh trung du, miền núi còn gặp nhiều khó khăn và khó có thể triển khai được. Đối với chăn nuôi trâu, dê, ngựa quy mô chăn nuôi trang trại cũng tương tự, gần 90% trang trại nuôi dưới 50 con. Số hộ chăn nuôi nhỏ lẻ là rất phổ biến vì bình quân mỗi nông hộ không quá một con trâu, bò. Việc chăn nuôi phân tán gây khó khăn cho công tác thu gom, quy hoạch và phát triển hệ thống kỹ thuật biogas. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 5 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học 1.2. Công nghệ Biogas 1.2.1. Giới thiệu về biogas Biogas là sản phẩm của quá trình phân giải các chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Sản phẩm chính của quá trình là khí sinh học (biogas) và các sản phẩm phân giải. Biogas là khí dễ cháy, thành phần chủ yếu là metan và cacbonic. Sản phẩm phân giải là các chất đã bị phân hủy sinh học được tạo thành từ quá trình sinh biogas [49]. Trong quá trình phân giải kị khí, rất ít nhiệt được tạo ra điều này trái ngược với quá trình phân giải hiếu khí. Năng lượng tạo ra từ các phản ứng hóa học phân giải cơ chất chủ yếu chuyển hóa thành biogas dưới dạng khí metan. Trong hệ thống biogas diễn ra 4 quá trình chính [49] Hình 1.1. Quá trình tạo biogas bởi phân giải kị khí  Thủy phân Thủy phân là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phân hủy kị khí, trong giai đoạn này các phân tử hữu cơ phức tạp sẽ bị phân cắt thành các thành phần nhỏ hơn. Trong giai đoạn thủy phân, các mạch polymer như carbonhydrate, lipid, nucleic acids và protein được chuyển hóa thành glucose, glycerol, purines và pyridines. Các vi sinh vật thủy phân tiết các enzyme thủy phân các polymer sinh học thành các hợp chất đơn giản và hòa tan như sơ đồ dưới đây Lipid (lipase)  các axit béo, glycerol Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 6 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học Polysaccharide (cellulose, cellobiase, xylanase, amulase)  monosaccharide Protein (protease)  amino axit Quá trình thủy phân được thực hiện bởi các enzyme ngoại bào được tạo ra từ nhiều vi sinh vật khác nhau thuộc 2 chi Streptococus và Enterobacterium [49]. Sản phẩm của quá trình thủy phân tiếp tục sẽ bị phân giải bởi các vi sinh vật liên quan và được sử dụng cho các quá trình trao đổi chất của chính các vi sinh vật này.  Axit hóa Trong quá trình axit hóa, các sản phẩm từ quá trình thủy phân sẽ được chuyển hóa thành các cơ chất có khả năng tạo metan từ các vi khuẩn lên men. Đường, amino axit và axit béo được chuyển hóa thành acetate, carbon dioxit và hidro (chiếm tỉ lệ 70%), cũng như thành các axit béo dễ bay hơi (VFAs) và alcohols (chiếm tỷ lệ 30%) [49]. Trong giai đoạn này những vi khuẩn thuộc nhóm kị khí tùy tiện sẽ sử dụng oxy xâm nhập vào trong hệ thống để tạo điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của các vi khuẩn kị khí bắt buộc khác thuộc các chi: Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium [44]  Acetate hóa Sản phẩm từ quá trình axit hóa không thể chuyển hóa một cách trực tiếp thành metan bởi các vi khuẩn sinh metan sẽ được chuyển hóa thành các cơ chất có khả năng sinh metan trong giai đoạn axeton hóa. VFA với chuỗi carbon dài hơn 2 đơn vị và alcohols với mạch carbon hơn một đơn vị sẽ bị oxy hóa thành acetate và hidro. Việc tạo ra hidro có thể làm tăng áp suất và được coi là sản phẩm thừa của quá trình sinh aceton và ức chế sự trao đổi chất của các vi khuẩn sinh acetone. Trong suốt giai đoạn sinh metan, hydro sẽ được chuyển hóa thành metan. Quá trình sinh acetone và metan thường diễn ra song song như là sự công sinh giữa 2 nhóm vi khuẩn này. Hoạt động chủ yếu trong giai đoạn này là các vi khuẩn thuộc chi Syntrophomonas, Syntrophobacter, vi khuẩn Methanobacterium suboxydans và vi khuẩn Methanobacterium propionicum [44]  Sinh metan Metan và carbon dioxit được tạo ra bởi các vi khuẩn sinh metan. 70% Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học metan được tạo thành có nguồn gốc từ acetate, 30% còn lại được tạo thành từ sự chuyển hóa của hydro và carbon dioxit, theo phương trình sau: Acetic acid  metan + carbon dioxit Hydro + carbon dioxit  metan + nước Sinh metan là bước rất quan trọng trong toàn bộ quá trình phân giải kị khí, do nó là phản ứng hóa sinh diễn ra chậm nhất trong quá trình. Quá trình sinh metan bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện vận hành. Thành phần chất thải, tốc độ nạp liệu, nhiệt độ, pH, sự hòa trộn của oxy là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng hoạt động và hiệu quả của các quá trình phân giải kị khí [49] 1.2.2. Lợi ích của biogas Việc sản xuất và sử dụng biogas từ các công trình phân giải kị khí mang đến nhiều lợi ích to lớn đối với môi trường và xã hội. Một trong những lợi ích lớn nhất của biogas là khả năng biến đổi phế thải thành nguồn có giá trị. Nhiều quốc gia đang phải đối mặt với những vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng liên quan đến việc sản xuất và tạo ra quá nhiều chất thải hữu cơ từ các ngành công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Biogas là phương pháp tuyệt vời để lưu trữ và xử lý các nguồn ô nhiễm này. Sử dụng nhiện liệu hóa thạch như than, dầu thô, khí tự nhiên đã chuyển hóa nguồn carbon được lưu giữ hàng triệu năm trong lớp vỏ trái đất và giải phóng nó dưới dạng khí carbon dioxit vào khí quyển. Sự gia tăng nồng độ khí CO2 trong khí quyển gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu do CO2 là một loại khí nhà kính (GHG). Việc đốt biogas cũng giải phóng CO2. Tuy nhiên, sự khác biệt chính khi so sánh với nhiên liệu hóa thạch là carbon trong biogas được cố định từ khí quyển bởi hoạt động quang hợp của thực vật. Do vậy, chu trình carbon của biogas là chu trình kín trong một vòng thời gian rất ngắn (từ một đến vài năm). Biogas cũng làm giảm sự phát thải metan và nito oxit (N2O) từ quá trình lưu trữ và sử dụng trực tiếp chất thải động vật làm phân bón. Khả năng gây hiện tượng khí nhà kính của CH4 và N2O lần lượt cao hơn 23 và 296 lần so với CO2. Khi biogas thay thế được nhiên liệu hóa thạch sẽ góp phần giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 8 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng có hạn và chỉ tập trung ở một số khu vực nhất định trên thế giới. Các quốc gia nằm ngoài khu vực này phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng. Hầu hết các nước châu Âu phải nhập khẩu năng lượng hóa thạch từ các khu vực giàu nguồn tài nguyên hóa thạch như Nga và Trung Đông. Phát triển và triển khai các hệ thống năng lượng tái tạo như khí sinh học từ các hệ thống phân giải kị khí dựa trên nguồn sinh khối của quốc gia sẽ tăng cường an ninh năng lượng và giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu. Việc biến nguồn phế thải thành nguồn năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích về kinh tế cho người nông dân. Năng lượng tạo thành từ quá trình có thể sử dụng làm nhiên liệu đun nấu, làm năng lượng để chạy máy phát điện… thay cho chi phí mua khí đốt tự nhiên và sử dụng điện. Sản phẩm sau quá trình phân giải có thể sử dụng làm nguồn phân bón cho cây trồng 1.2.3. Hiện trạng xây dựng, lắp đặt hệ thống biogas tại Việt Nam a, đặc điểm của một số mẫu biogas.  Mẫu Biogas kiểu KT1 và KT2 [13] Đây là 2 mẫu công trình KSH được thiết kế bởi Viện Năng lượng - Bộ NN&PTNT. KT1 và KT2 được phát triển dựa trên Tiêu chuẩn ngành 10 TCN 492:499-2002 và Tiêu chuẩn ngành 10TCN 97:102-2006 do Bộ NN&PTNT Ban hành. Hai thiết kế này được giới thiệu và phát triển trong khá nhiều dự án do Bộ NN&PTNT quản lý Chương trình KSH Quốc gia; Dự án LEAFSAP; Dự án LCAPS,… . Trong đó, KT1 được giới thiệu áp dụng cho những khu vực có mực nước ngầm thấp; KT2 được giới thiệu áp dụng cho những khu vực có mực nước ngầm cao.Có thể nói, đến nay 2 mẫu thiết kết này đang đƣợc áp dụng phổ biến nhất ở Việt Nam. Theo thống kê chưa đầy đủ, trên cả nước có khoảng trên 150.000 công trình KSH đã đƣợc xây dựng áp dụng 2 mẫu thiết kế này. Thiết kế của 2 kiểu công trình này bao gồm 6 bộ phận chính: (i) Bể phối trộn; (ii) Bể phân huỷ; (iii) Bể điều áp; iv Đầu vào; v Đầu ra và (vi) Ống dẫn khí. Bể phối trộn, bể phân huỷ và bể điều áp được xây bằng gạch. Bể phân huỷ có hình dạng mái vòm, đáy được làm bằng bê tông và tường xây bằng gạch. Bể phối trộn Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 9 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Công nghệ sinh học có hình dạng chữ nhật, không bắt buộc về cấu trúc và thể tích tuỳ theo địa điểm xây dựng. Bể điều áp có thể xây hình chữ nhật hoặc hình vòm cuốn và có thể tích theo thiết kế phù hợp với thể tích của bể phân huỷ. Ống đầu vào và ống đầu ra có thể sử dụng vật liệu bê tông hoặc nhựa PE. Cả 3 bể này được kết nối với nhau bằng ống đầu vào và ống đầu ra. Hệ thống ống dẫn khí được bố trí gắn ở vị trí cao nhất của bể phân huỷ để dẫn khí đến các thiết bị sử dụng. - Nguyên lý hoạt động Cả 2 mẫu KT1 và KT2 có nguyên lý hoạt động giống nhau. Theo đó : Nguyên liệu phân động vật, các loại vật chất hữu cơ được đưa vào bể phối trộn và đi vào bể phân huỷ theo ống đầu vào cho đến khi đạt phương thức 0. Tại thời điểm này, áp suất khí trong phần chứa khí bằng 0 (P=0). Nguyên liệu trong bể phân huỷ sẽ được phân huỷ, tạo ra khí gas. Khí gas được sinh ra được chứa ở phần vòm chứa khí sẽ tạo áp lực đẩy dịch phân huỷ lên bể điểu áp qua đường ống đầu ra. Dịch phân huỷ trong bể điều áp tăng dần lên theo tỉ lệ khí gas được sinh ra đến mức xả tràn sẽ tràn qua bể chứa bùn và thoát ra kênh thoát nƣớc theo ống xả tràn. Khí được tạo ra trong bể phân huỷ theo đường ống dẫn khí đến các thiết bị sử dụng. Khi khí được sử dụng, áp suất khí trong phần chứa khí giảm xuống, dịch phân huỷ từ bể điều áp theo đường quay trở lại bể phân huỷ. Khi khí được sử dụng hết, áp suất khí trong phần chứa khí trở lại bằng 0. Trong quá trình hoạt động của các mẫu thiết kế này, bề mặt của dung dịch trong bể phân huỷ luôn luôn di chuyển lên và xuống với tiết diện thu hẹp khi lên và mở rộng khi xuống (do thiết kế hình vòm cầu của bể phân huỷ) sẽ làm hạn chế việc hình thành váng trong bể phân huỷ. Nguyễn Đình Tráng CNSH2014B Page 10