Tại sao các hầm Biogas còn gây thối – Cơ sở Khoa học, thực tiễn và giải pháp

Báo cáo Dự án Nghiên cứu đánh giá Biogas ở Việt Nam do Viện nghiên cứu Môi trường và Phát triển bền vững (IESD) Đại học Twente University (The Hague) thực hiện nêu ý kiến người dân: Trong nhiều trường hợp rửa chuồng trại, khi có nhiều ga trong hầm, phân bị dềnh lên ở cửa vào và không thể đưa xuống bể phân hủy. Cách giải quyết vấn đề này như thế nào ? Nhiều hầm vòm còn mùi hôi rất khó chịu ở cửa ra. Làm thế nào chấm dứt phiền toái này ?!... 

Trong khi đó Bộ TN&MT quy định về xử lý môi trường của nước thải từ trại heo ra phải đạt tiêu chuẩn loại A, B Điều đó có thực hiện được không (?). Cơ sở khoa học và thực tiễn của các vấn đề nêu trênvà giải pháp khắc phục ?. Chúng tôi xin giới thiệu bài viết của ông nguyễn Hông Sơn GĐ Trung tâm Vị Nông về vấn đề trên

Hơn một trăm năm nay, Biogas được gắn cho nhiệm vụ duy nhất là sử dụng phân gia súc, chất thải nông nghiệp để sản xuất năng lượng tái tạo. Vài ba chục năm lại đây Biogas được gắn thêm nhiệm vụ xử lý môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kình, một trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu. Chức năng nhiệm vụ của thiết bị Biogas được gắn mác/ tăng thêm nhiệm vụ nhưng nguyên lý công nghệ của các thiết bị Biogas quy mô nhỏ và vừa hầu như không đổi (!?). Tài liệu “Tiêu chuẩn thiết kế hầm biogas”, của Felix ter Heegde (FtH) PPRE Oldenburg University April 26-28, 2011, của Tổ chức phát triển Hà Lan (SNV) giới thiệu 25 mẫu thiết bị/ hầm Biogas quy mô nhỏ và vừa điển hình, được phổ biến trên thế giới và trên 15 mẫu BSK Biogas được Việt Nam phổ biến, áp dụng phần nào nói lên điều đó. Khi nguyên lý công nghệ của thiết bị không đổi thì chất lượng sản phẩm khó được cải thiện. Đó là tất yếu. 
Khi xem xét đến quá trình vi sinh hóa Mê tan (CH4) khi phân giải yếm khí các chất hữu cơ, ai cúng biết nó xảy ra theo chu trình: phân giải các chất hữu cơ phức tạp các chât hữu cơ đơn giản Các A xit Hình thành/ sản sinh Mê tan. Chu trình đó được chia làm 4 giai đoạn, gồm: giai đoạn lên men, giai đoạn A xit hóa, giai đoạn Axcetat hóa và giai đoan Mê tan hóa. Song song với quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong bể phân hủy là sự phân tầng các sản phẩm của quá trình đó. Quá trình vi sinh hóa Mê tan và sự phân tầng trong bể phân hủy được mô hình hóa như sau: 

Theo báo cáo đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng mô hình Biogas kết hợp hồ sinh học thực vật”, của SVTH: Nguyễn Trần Ngọc Phương – MSSV: 106108020, GVHD: ThS Lâm Vĩnh Sơn, cho thấy: Trong thời gian từ khi nạp nguyên liệu/ cơ chất vào bể phân hủy cho đến ngày thứ 10, pH của môi trường giảm từ 7,3 xuống 5,2 – 5,5 (trang 63), các chỉ số COD và BOD5 đều tăng (COD tăng từ 22,23 – 36,00%; BOD5 tăng từ 22,23 – 35,99%). Sau đó từ ngày thứ 15 trở đi, pH mới bắt đầu tăng và các chỉ số COD và BOD5 mới bắt đầu giàm dần. Theo đó, đến ngày thứ 60, các chỉ số COD, BOD5 cũng mới chi giảm được 73,77 – 73,78 %, buộc phải xây các hồ lọc bằng sinh học thực vật (rất tốn kém), trước khi thải ra môi trường. Diễn biến sự thay đổi của pH và các chỉ số COD, BOD5 theo thời gian thủy phân cơ chất, theo thứ tự, được thể hiện trong các bảng 1,2,3: 

Bảng 1. Diễn biến pH trong 2 nghiệm thức B0 và B1 (trang 63). 

Bảng 2. Diễn biến COD trong 2 nghiệm thức B0 và B1 (trang 66). 

Diễn biến sự thay đổi của chỉ số COB5 theo thời gian thủy phân cơ chất: 

Bảng 2.7. Diễn biến BOD5 (mg/l) trong 2 nghiệm thức B0 và B1 (trang 67, 68) 

Tại sao lại có hiện tượng pH của môi trường phân hủy giảm mà COD và BOD5 tăng cao trong quá trình đầu của giai đoạn lên men kỵ khí như vậy (?). Nguyên nhân, vì khi cơ chất mới nạp vào, tùy tỷ lệ phối trộn phân/ nước nhiều ít, mà lượng oxy hòa tan mang theo vào buồng phân hủy nhiều hay ít. Lúc này lên men phân giải kỵ khí chưa hoàn toàn, còn một lượng vị khuẩn háo khí lẫn tạp vào gây xáo trộn quá trình lên men, làm giảm pH và làm tăng COD và BOD5. Mặt khác, đây là giai đoan đầu của quá trình lên men phân giải các chất đa phân tử, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic.... và các khí CO2, H2 và NH3 v.v... Đây cũng chính là giai đoạn các phần tử cơ chất bị các bọt khí kéo nổi lên phía trên tạo thành váng trong bể phân hủy. Quá trình lên men kỵ khí tiếp tục xẩy ra, mở đầu cho giai đoạn Axit hóa, bước đầu của quá trình bán phân hủy. Nhờ các vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp axetat), chuyển hóa các hydrater carbon và các sản phẩm của giai đoạn 1 như Albumozpepit, Glyxerin và các axit béo thành các axit có phân tử lượng thấp hơn, như C2H5COOH, C3H7COOH2, CH3COOH, một ít khí hydro và khí CO2,... 
Quá trình này sản sinh các sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối như H2S, indol, scatol...., pH của môi trường dịch phân hủy ở dưới 5. 
Sau đó, các vi khuẩn tạo Mê tan chưa thể sử dụng được các sản phẩn của các giai đoạn trước (1 và 2) để tạo thành Mê tan, phải nhờ các vi khuẩn Axetat hóa. phân giải tiếp tục để tạo thành các phân tử đơn giản nhỏ hơn nữa (trừ axit acetic), gọi là giai đoạn Axetat hóa. pH môi trường bắt đầu tăng lên, COD và BOD5, bắt đầu giảm. Các vi khuẩn Axetat hóa phân giải các sản phẩn của giai đoạn trước tạo nhiều sản phẩm H2, và được vi khuẩn Mê tan sử dụng cùng với CO2 để hình thành Mê tan (CH4). Giai đoạn Me tan hóa bắt đầu. Lúc này các chất bã hữu cơ bị phân hủy mủn ra thành các phần tử nhỏ, lơ lửng trong dịch thải, pH của môi trường dịch bể phân hủy chuyển sang kiềm và tối ưu ở khoảng 6,8 – 7,8. 
Ứng với các giai đoạn lên men kỵ khí phân giải cơ chất trong buồng phân hủy, có thể chia ra các miền/ vùng phát triển các loại vi sinh vật (được Nguyễn Trần Ngọc Phương và ThS Lâm Vĩnh Sơn dẫn từ nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003. Tài liệu đã dẫn trang 18) tương ứng với các vùng có mức độ phân hủy cơ chất, như sau: 

Bảng/ Sơ đồ 4. Sự phát triển các nhóm VSV trong lên men Methane, ứng 
với các vùng có mức độ phân hủy cơ chất khác nhau. 

Biểu đồ 4 cho thấy, trong buồng phân hủy của BSK, luôn tồn tại/ được chia làm ba tầng/ lớp khác nhau: (1) Vùng phát triển hỗ hợp vi sinh vật, ứng với Vùng nguyên liệu mới nạp, bắt đầu quá trình lên men kỵ khí ở tầng trên cùng (còn gọi là váng). (2) Vùng phát triển vi sinh vật thủy phân và tạo Axit. Đây là vùng bán hoai ở lớp trên tầng giữa, có mật số vi khuẩn nằm trong khoảng từ 104 - 106 VSV/ml; nơi quá trình lên men kỵ khí mạnh liệt, tạo ra các sản phẩm Axit và tạo H2S, indol, scatol..., mùi gây thối, khi này COD, BOD5 chưa giảm. Lớp dưới của tầng giữa, quá trình Axetat được xảy ra, COD, BOD5 bắt đầu giảm. (3) Vùng phát triển vi khuẩn tạo khí Mê tan (CH4), ứng với vùng mùn hóa ở tầng đáy BSK. Tại vùng này có mật số vi khuẩn kỵ khí cao nhất, lên tới 106 VSV/ ml. Đó là cơ sở khoa học khi người ta lấy bùn non, cho hoàn lưu, bổ sung vi sinh vật kỵ khí vào cửa nạp nguyên liệu đầu vào, để tăng cường/ thúc đấy nhanh quá trình lên men kỵ khí; là cơ sở khoa học của Biogas Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu. 
Trong các mẫu hầm Biogas hiện có, thiết kế cửa xả đặt cao, trên 1/2 chiều cao của bể phân hủy, chia cơ chất thành hai miền động và tĩnh khác nhau: (1) phía trên miệng cửa xả là miền động, (2) phía dưới miệng cửa xả là miền tĩnh; tạo nên hai hiệu ứng khác nhau. 

Hình 2.3.6: Mô hình hóa sự lắng cặn của các mẫu hầm Biogas hiện có. 

Theo nguyên tắc bình thông nhau, đối với các loại hầm Biogas KT, hoặc Compuzite và các mẫu tương tự (kể cả hầm HDPE), khi áp suất gas đạt Max, toàn bộ phần cơ chất phía trên cửa xả (phần động) gồm phân bán hoai và phân tươi mới nạp vào (tầng giữa và tầng trên cùng (khi COD, BOD5 chưa giảm) đều dễ dàng bị đẩy ra ngoài, phân dềnh lên cả cửa nạp, mang theo các sản phẩm amin, H2S, indol, scatol, gây nên mùi hôi thối rất khó chịu, là vì vậy. Phần cơ chất phía dưới cửa xả (phần tĩnh) do không có đường ra nên buộc phải lắng xuống đáy. Sự lắng đọng này là tất yếu, không thể nói không. Lâu dần, 2 – 3 năm cặn bã sẽ đầy lên. Thể tích buồng phân hủy giảm dần, chỉ còn chưa đầy 1/2 thể tích. Lúc này, phân tươi sẽ bị đẩy trực tiếp ra ngoài, gây ô nhiễm môi trường thứ cấp rất trầm trọng. thời gian lưu của cơ chất trong bể phân hủy không quản trị được. Đây là tồn tại của hầu hết các BSK hiện có. Theo báo cáo đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng mô hình Biogas kết hợp hồ sinh học thực vật”, của SVTH: Nguyễn Trần Ngọc Phương – MSSV: 106108020, GVHD: ThS Lâm Vĩnh Sơn nêu trên, đến ngày thứ 60 các chỉ số COD, BOD5 cũng mới chi giảm được 73,77 – 73,78 %, Vậy thì làm sao mà tắm được, chứ chưa nói là uống được. 
Giải pháp khắc phục: Để khắc phục tồn tại/ nhược điểm của các loại BSK nói trên, có các giải pháp sau: (1) phải thay đổi thiết kế BSK, đặt cửa xả sát đáy bể phân hủy. Khi đó, toàn bộ khối dịch phân hủy đều là miền động. Phần cơ chất bán hoai, đang mùn hóa nặng hơn chìm dần xuống đáy, có COD, BOD5 đã giảm mạnh sẽ bị đẩy ra ngoài trước, giúp quản trị tốt thời gian lưu cơ chất trong bể phân hủy; (2) Cho nước thừa sau khi lọc khô bã thải, hồi lưu bể phân hủy (không cho chảy ra ngoài) để tiết kiệm nước và bảo vệ môi trường; (3) Kéo dài thời gian lưu cơ chất trong bể phân hủy và thời gian lắng trong hồ sinh học thực vật (điều này đồng nghĩa tăng cao chi phí đầu tư xây dựng, rất tốn kém). 
Mẫu BSK Biogas đa năng Vị Nông hoạt động theo nguyên lý hoàn lưu, đã kết hợp tốt giải pháp 1 và 2 nêu trên, được Trung tâm Vị Nông thử nghiệm thành công tại Nghệ An./. 

Tài liệu tham khảo 
+ Quá trình xử lý sinh học kỵ khí, http://luanvan.net.vn/luan-van/qua-trinh-xu-ly-sinh-hoc-ky-khi-59546/
+ Dự án nghiên cứu đánh giá Biogas tại Vệt Nam, Đặng Hữu Lưu và Clade Potvin, Viện nghiên cứu Môi trường và Phát triển bền vững (IESD) Đại học Twente University (The Hague) thực hiện (Đơn vị tài trợ: ETC Energy, The Netherlands, February 2011) 
http://cifpen.org/UserFiles/RadEditor/Documents/Documents/2014/Phu%20luc%201-2_Bao%20cao%20Claude%20VN.pdf 
+ Đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng mô hình Biogas kết hợp hồ sinh học thực vật”, Nguyễn Trần Ngọc Phương và TS Lâm Vĩnh Sơn. 
http://doc.edu.vn/tai-lieu/do-an-nghien-cuu-nang-cao-hieu-qua-xu-ly-nuoc-thai-chan-nuoi-bang-mo-hinh-biogas-ket-hop-ho-sinh-hoc-thuc-vat-49751/ 
+ Phân loại, đánh giá hầm Biogas, Nguyễn Hồng Sơn, Trungg tâm Vị Nông, 2013.