GIẢM SỰ KHÍ AMMONIA TỪ CHUỒNG HEO BẰNG CÁCH SỬ DỤNG BÙN HIẾU KHÍ CŨNG NHƯ SỰ TUẦN HOÀN CHẤT LỎNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG 

Đề tài 11:

GIẢM SỰ KHÍ AMMONIA TỪ CHUỒNG HEO BẰNG CÁCH SỬ DỤNG BÙN HIẾU KHÍ CŨNG NHƯ SỰ TUẦN HOÀN CHẤT LỎNG

GVHD: TÔ THỊ HIỀN NHÓM: 15 Thực hiện bài báo cáo: Huỳnh Thị Huệ

1022117

Phạm Thị Kim Trong

1022322

TP. HCM, tháng 11 năm 2013

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 2 I.

TỔNG QUAN VỀ AMMONIA ............................................................................ 3 1.

Giới thiệu chung ............................................................................................... 3

2.

Chu trình nitơ................................................................................................... 3

3.

Tình hình phát thải ammonia trong chăn nuôi heo ...................................... 5 3.1.

Lượng phát thải ammonia ......................................................................... 5

3.2.

Nguồn gốc khí ammonia............................................................................ 5

3.3.

Biện pháp giảm thiểu ................................................................................. 5

II. THÍ NGHIỆM........................................................................................................ 6 1.

2.

III.

Mô hình thí nghiệm.......................................................................................... 6 1.1.

Chuồng heo thí nghiệm ............................................................................. 6

1.2.

Hệ thống thu chất thải của heo ................................................................. 7

Quy trình xử lý ................................................................................................. 9 2.1.

Vận hành .................................................................................................... 9

2.2.

Phân tích hóa học .................................................................................... 10

2.3.

Đo lượng khí ammonia bay lên ............................................................... 10

2.4.

Đánh giá heo nuôi .................................................................................... 10

KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ............................................................................... 10

1.

Hệ thống thu chất thải ................................................................................... 10

2.

Xử lý chất thải ................................................................................................ 11

3.

Phát thải ammonia ......................................................................................... 12

4.

3.1.

Nhiệt độ..................................................................................................... 12

3.2.

Tốc độ làm thoáng.................................................................................... 12

3.3.

Nồng độ ammonia .................................................................................... 13

3.4.

Phát thải ammonia ................................................................................... 14

Hiệu suất nuôi heo.......................................................................................... 16

IV.

KẾT LUẬN ........................................................................................................ 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 18

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Nồng độ trung bình của ammonia, BOD, COD và pH trong dòng chất thải chảy vào hệ thống xử lí ………………………………………………………………11 Bảng 2: Hiệu suất nuôi heo ở mỗi đơn vị chuồng …………………………………..16

1

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc lập thể của NH3 ……………………………………………………..3 Hình 2: Chu trình chuyển đổi các dạng nitơ trong tự nhiên …………………………4 Hình 3: Hệ thống drive – out …………………………………………………………7 Hình 4: Hệ thống ống dẫn ……………………………………………………………8 Hình 5: Hệ thống rửa …………………………………………………………………8 Hình 6: Hệ thống xử lý chất thải ……………………………………………………..9 Hình 7: Nhiệt độ trong trong hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát ……….12 Hình 8: Tốc độ làm thoáng ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát ……….13 Hình 9: Nồng độ ammonia ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát ………..13 Hình 10: Phát thải ammonia ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát ……..14 Hình 11: Nhiệt độ, tốc độ làm thoáng, nồng độ ammonia và phát thải ammonia trong hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát …………………………………..15 Hình 12: Phát thải NH3 từ hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát, đo trong 280 ngày …………………………………………………………………………………...16

2

I.

TỔNG QUAN VỀ AMMONIA 1. Giới thiệu chung -

Ammonia có công thức hóa học là NH3, là khí độc không màu, có mùi khai.

N2 + 3H2 → 2NH3

-

Cấu trúc phân tử có dạng hình chóp tam giác, góc liên kết là 1070.

Hình 1: Cấu trúc lập thể của NH3 -

Tác động của khí NH3: ammonia có mùi khó chịu (50 ppm), gây viêm đường hô hấp cho người và động vật (400 ppm); gây loét giác mạc (700 ppm), thanh quản và khí quản (Ammonia thường gây nhiễm độc cấp tính). Nếu hòa tan trong nước sẽ gây ngộ độc cho cá và sinh vật.

2. Chu trình nitơ Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở 7 dạng oxi hóa khác nhau: NH3 (III), N2 (0), N2O (I), NO (II), N2O3 (III), NO2 (IV), N2O5 (V) trong khí quyển, sinh quyển, địa quyển, thủy quyển và các hoạt động nhân tạo.

3

Địa quyển và thủy quyển NO3-, NH4+ hòa tan, nitơ hữu cơ

Cố định N2 NO3-, NH4+ từ hợp chất phân hủy

Sinh quyển Nitơ sinh học (amin (NH2) nitrogen)

Phân bón NO3-

Khoáng chất giải phóng NO3-

Hợp chất nitơ từ chất ô nhiễm và phân bón

Nhân tạo NH3, HNO3, NO, NO2, NO3-

Chuyển hóa NH3, N2, N2O nhờ vi sinh vật

Hòa tan NO3-, NH4+, kết tủa

Phát thải chất ô nhiễm (NO, NO2)

Cố định nitơ

Khí quyển N2, N2O, NO, NO2, HNO3, NH4NO3

Hình 2: Chu trình chuyển đổi các dạng nitơ trong tự nhiên ❖ Các phương trình chuyển hóa nitơ trong nước thải • Phương trình amon hóa: (NH2)CO + H2O → OH- + NH3 (NH4+) + CO2 NH3 + H2O → NH4+ + OH• Phương trình nitrite hóa:

4

2NH4+ + 3O2 → H+ + 2NO2- + 2H2O • Phương trình nitrate hóa: 2NO2- + O2 → 2NO3• Phương trình phản nitrate hóa: 4NO3- + 5 {CH2O} + 4H+ → 2N2 + 5CO2 + 7H2O 3. Tình hình phát thải ammonia trong chăn nuôi heo 3.1.

-

Lượng phát thải ammonia

Sự bay hơi ammonia trong chăn nuôi góp khoảng 30% vào quá trình acid hóa ở Hà Lan, trong đó 25% là phát thải từ chăn nuôi heo.

-

Lượng ammonia phát thải từ năm 1980 – 2000 đã giảm 70%.

3.2.

-

Nguồn gốc khí ammonia

Trong phân và nước tiểu của heo có hàm lượng N, trong đó nước tiểu chiếm gần 50% (nước tiểu có urê). Khoảng 85% ammonia xuất phát từ nước tiểu, còn lại là từ phân.

CO(NH2)2 + 2H2O → (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O

-

Trong phân heo luôn tồn tại 2 dạng N là ammonia (NH3) và ammonium (NH4+). Dạng nào tồn tại nhiều phụ thuộc vào pH và nhiệt độ. Ví dụ, ammonia tạo ra nhiều trong môi trường bazơ và ngược lại.

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-

3.3.

-

Biện pháp giảm thiểu

Ammonia làm giảm bởi các quá trình xảy ra trong chất thải của heo (phân hủy sinh học) hoặc bằng các biện pháp kỹ thuật như trong quá trình xây chuồng, lưu trữ, trải phủ trong ủ phân. Hiện nay, biện pháp được sử dụng nhiều trong chăn nuôi heo là sử dụng lớp đệm lót sinh học (làm từ mùn

5

cưa, trấu, cỏ khô băm nhỏ… có thêm chế phẩm sinh học), vi sinh vật có ích sẽ phát triển và phân hủy chất thải của vật nuôi, làm giảm phát thải khí ammonia (NH3).

-

Chất thải của heo được nén chặt vào trong đất với một lớp phủ phía trên.

Biện pháp này cho hiệu quả giảm lượng khí ammonia như thế nào phụ thuộc vào lớp phủ ở trên, vì thế cần thiết kế lớp phủ chính xác, hợp lý.

II.

THÍ NGHIỆM 1. Mô hình thí nghiệm 1.1.

Chuồng heo thí nghiệm Drive - out

5 chuồng heo

3 chuồng

Drain system

1 fully

Flushing system

1 partly -

Tại trang trại thí nghiệm chăn nuôi heo của Sterksel, chia làm 5 đơn vị chăn nuôi, mỗi đơn vị nuôi heo lấy thịt (25 – 110 kg) chia thành 2 dãy chuồng. Heo được cho ăn 3 lần/ngày vào 7h, 15h, 23h bằng hệ thống cho ăn uống tự động. Lượng chất thải sinh ra mỗi ngày là 3,5 L/1 con heo.

-

Trong đó, dãy 1 có 3 đơn vị tương tự nhau, lớp lót sàn hở (chiếm 63% diện tích), được xây dựng hệ thống thu chất thải. Dãy 2 có 2 đơn vị: 1 chuồng được lót sàn kín với một cái hầm có sức chứa chất thải trong gần 6 tháng.

Chuồng thứ 2 thì lót sàn hở, tương tự như cái chuồng 1, chất thải bên dưới có thể lưu trữ được khoảng 1 tuần, sau đó thì được thải ra ống dẫn. Hai chuồng này được xem như đơn vị có kiểm soát.

6

-

Đối với những chuồng dùng sàn hở sẽ được cung cấp nhiệt bằng floor heating và additional air heating. Đối với sàn kín chỉ được cấp nhiệt bằng air heating. Nhiệt độ bên trong sẽ được điều chỉnh bằng thiết bị thông gió cưỡng bức.

1.2.

Hệ thống thu chất thải của heo

Có 3 hệ thống: -

Hệ thống drive – out: (nước rửa chuồng được giữ lại)

Hình 3: Hệ thống drive – out Có mương đáy phẳng nằm dưới tấm lót sàn 0,40 m, dưới mỗi hàng của dãy nuôi gia súc có 2 mương, rộng 0,6 m và 1,6 m. Các mương dẫn này đều được kết nối với một ống riêng và dẫn ra bên ngoài chuồng heo. Có 1 cái ngưỡng chắn cao 0,1 m giữ cho chất thải đọng lại trong mương. Lượng chất thải đó sẽ được đưa ra ngoài khi nước tuần hoàn (khoảng 7 m3/lần) được bơm trở lại mương dẫn. Chất thải được lấy ra từ 1 – 4 lần/ngày phụ thuộc vào lượng chất thải thải ra. Trung bình thì tỉ lệ lượng chất thải thải ra với thể tích nước tuần hoàn là khoảng từ 1 tới 25.

-

Hệ thống ống dẫn (drain system): hệ thống nạp và xả

7

Hình 4: Hệ thống ống dẫn Có mương đáy phẳng nằm dưới lớp lót sàn 0,4 m. Các đường ống dẫn được lắp vào dưới lớp sàn này. Các đường ống nối với sàn một khoảng 2 m. Bình thường, các ống này bị khóa, vì vậy chất thải không thoát ra được. Vào một số thời gian trong ngày các đường ống này sẽ mở để tháo chất thải ra bằng trọng lực. Sau đó, các ống này sẽ bị đóng lại và nước tuần hoàn (4,5 – 0,5 m3) được bơm vào mương dẫn đến 0,1 m. Tỉ lệ lượng chất thải thải ra và nước tuần hoàn khoảng từ 1 tới 25.

-

Hệ thống rửa (flushing system)

Hình 5: Hệ thống rửa

8

Trong hệ thống này, mương dẫn chất thải được xây nghiêng, dòng nước tiểu dẫn vào mương ở bên ngoài chuồng và chảy vào hầm. Còn phân thì được giội rửa vào mương có đáy nghiêng. Dung dịch nước rửa tuần hoàn được trữ lại trong bể, bể này được xây dựng liền vào bức tường bên trong chuồng đó.

Nước rửa được cung cấp bằng đường ống mà đầu ống ở phía trên đáy mương.

Việc giội rửa với tần số 6 lần/ngày với thể tích 1,25 m3. Tỉ lệ lượng phân và nước tiểu thải ra với thể tích nước rửa là 1 tới 27.

2. Quy trình xử lý 2.1.

Vận hành

Hình 6: Hệ thống xử lý chất thải Nước thải (bị ammon hóa được dùng như dung dịch tuần hoàn) được xử lí qua 3 bước liên tục gồm tách, cấp khí và lắng. Có 1 sàn lọc rung dùng để tách chất thải khi ra khỏi chuồng heo. Khoảng 3 – 5% thể tích dòng chảy được tách ra là các cấu tử rắn với khối lượng vật chất khô từ 12 – 15%. Thể tích trung bình của cấu tử rắn là 840 l/ngày, gần bằng với lượng chất thải sinh ra hằng ngày. Điều này có nghĩa là lượng nước hoàn toàn không thay đổi được

9

tuần hoàn. Phần chất lỏng được cấp khí (khuyếch tán khí) ở nhiệt độ thấp nhất là 150C. Vì vậy, ammonia được chuyển hóa sinh học thành nitrate. Sau khi sục khí, bùn sẽ được lắng. Bùn dư sẽ được trộn với chất rắn được tách ra ở giai đoạn trước dùng làm phân bón.

2.2.

Phân tích hóa học

Thực hiện phân tích hóa học tại phòng thí nghiệm IMAG – DLO. Mẫu được đưa vào máy li tâm, làm lạnh ở 40C ngay sau khi lấy mẫu đến khi phân tích. Mục đích là giữ cho ammonium, nitrite, nitrate không bị chuyển hóa.

Các hợp chất và vật chất khô, pH, COD, BOD được phân tích theo phương pháp của Viện tiêu chuẩn hóa Hà Lan. 2.3.

Đo lượng khí ammonia bay lên

Lượng ammonia bay hơi từ hệ thống tách bùn và các chuồng kiểm soát được đo đạc bằng tốc độ cấp khí (làm thoáng) và nồng độ ammonia thải vào dòng không khí đó. Nồng độ ammonia được đo đạc liên tục bằng máy phân tích NOx dựa trên nguyên tắc hóa phát quang. Ngoài tốc độ cấp khí và nồng độ ammonia thì nhiệt độ bên trong, bên ngoài, độ ẩm không khí cũng được đo đạc.

2.4.

Đánh giá heo nuôi

Các thông số như thức ăn đầu vào, thời gian nuôi, cân nặng khi bắt đầu nuôi và giết thịt phải được ghi chép lại. Sau khi giết thịt, heo được phân loại thành 4 nhóm: AA (tốt nhất), A, B, C. Các phân tích thống kê được thực hiện theo mô hình ngưỡng đối với phân phối đa thức.

III.

KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 1. Hệ thống thu chất thải

10

Thường thì 3 hệ thống thu chất thải đều hoạt động tốt. Cấu trúc xây dựng hệ thống rửa cũng thay đổi trong suốt thí nghiệm. Ống dẫn nước làm ngắn lại và mở rộng hơn. Hố thu nước rửa được đặt bên trong các dãy chuồng. Điều này tạo ra một dòng nước mạnh để chắc chắn rằng phân được giội rửa ra ngoài mương dẫn hoàn toàn. Vì thế, ammonia cũng giảm bị thất thoát.

2. Xử lý chất thải Bảng 1: Nồng độ trung bình của ammonia, BOD, COD và pH trong dòng chất thải chảy vào hệ thống xử lí Dòng ra từ

Dòng vào bể

Dòng ra bể

chuồng heo

làm thoáng

làm thoáng

mg/l

200

180

2

Nitrate - N

mg/l

7

7

150

BOD

mg/l

2500

2000

1200

COD

mg/l

30000

23000

20000

7,7

7,7

8,0

Thông số

Đơn vị

Ammonium-N

pH

Nồng độ ammonium, nitrate và pH trong dòng vào bể làm thoáng, sau khi qua bộ phận tách, bằng với nồng độ trong dòng thải từ chuồng heo. Cả hai hợp chất trên đều có thể tan được, chỉ chứa một số ít chất rắn và thành phần khác. Chất thải sau khi tách chất rắn làm giảm COD, BOD khá thấp tương ứng khoảng 20%, 23%. Hiệu quả loại bỏ vật chất thô cũng thấp.

Trong quá trình sục khí, tất cả ammonia được chuyển đổi. Nitrate được hình thành từ ammonia và mất đi do sự phản nitrate tự nhiên trong mương phía dưới chuồng. Một phần vật chất hữu cơ trong chất thải bị oxi hóa khi sục khí, làm giảm 40% BOD, 30% COD. Trong quá trình cấp khí pH của nước tăng nhẹ vì sự chuyển đổi của acid béo và thoát khí CO2.

11

Quá trình lắng cũng không mang lại hiệu quả cao. Ngoài ra, chất tạo bông cũng không nâng cao hiệu qua lắng. Nồng độ bùn trong bể sục khí được duy trì.

3. Phát thải ammonia 3.1.

Nhiệt độ

Time (hours)

Time (hours)

Hình 7: Nhiệt độ trong trong hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát Nhận xét: nhiệt độ ở 5 đơn vị chuồng đều có quy luật thay đổi như nhau, cao hơn trong khoảng thời gian 14 – 23 giờ (20 – 230C) và thấp vào lúc 3 – 7 giờ sáng (16 – 180C) hằng ngày. Đối với hệ thống thu chất thải: nhiệt độ thay đổi tương đương nhau, ổn định nhất là hệ thống rửa (flush system), hệ thống ống (drain system) có sự biến động mạnh hơn. Đối với đơn vị kiểm soát: nhiệt độ thay đổi ở hai chuồng gần như đồng đều, chuồng sàn kín có nhiệt độ cao hơn chuồng sàn hở khoảng 1 – 20C. 3.2.

Tốc độ làm thoáng

12

Time (hours)

Time (hours)

Hình 8: Tốc độ làm thoáng ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát Nhận xét: 5 đơn vị chuồng đều có tốc độ làm thoáng thay đổi theo ngày và đêm, ban ngày nhỏ hơn ban đêm. Ở hệ thống thu chất thải: tốc độ làm thoáng ở hệ thống ống là cao nhất, đặc biệt vào ban đêm, đạt giá trị cao nhất là 7 m3/h/1000. Còn hai hệ thống kia thay đổi khá đồng đều. Ở đơn vị kiểm soát: tốc độ làm thoáng ở sàn hở thấp hơn so với sàn kín khoảng 2 – 3 m3/h/1000.

3.3.

Nồng độ ammonia

Time (hours)

Time (hours)

Hình 9: Nồng độ ammonia ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát Nhận xét: nồng độ trong chất thải ở đơn vị kiểm soát cao hơn so với chuồng có hệ thống thu chất thải

13

Ở hệ thống thu chất thải: nồng độ ammonia trong chất thải ở cả 3 hệ thống không cao (0,5 – 3 mg/m3). Tuy nhiên, ở hệ thống ống thì ổn định nhất. Hệ thống drive – out có nồng độ ammonia cao nhất (3 mg/m3) trong khoảng 10 – 12 giờ trưa trong ngày. Hệ thống rửa có nồng độ ammonia thay đổi liên tục qua các giờ. Ở đơn vị kiểm soát: nồng độ ammonia trong chất thải khá cao (3,8 – 9 mg/m3) và biến thiên mạnh giữa các giờ. Đơn vị sàn hở có nồng độ ammonia lớn nhất, đạt giá trị cao nhất 9 mg/m3, trong khoảng từ 5 giờ sáng đến 12 giờ trưa.

3.4.

Phát thải ammonia

Hình 10: Phát thải ammonia ở hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát Nhận xét: phát thải ammonia ở đơn vị kiểm soát cao hơn so với chuồng có hệ thống thu chất thải. Ở hệ thống thu chất thải: phát thải khí ammonia tăng dần từ hệ thống ống < hệ thống rửa < hệ thống drive – out. Phát thải ammonia của ba hệ thống đều cao nhất vào lúc 13 – 24 giờ hằng ngày. Giá trị cao nhất là 15 g/h, thấp nhất là 4 g/h. Ở đơn vị kiểm soát: phát thải ở 2 chuồng khá tương đồng, giá trị phát thải cao (16 – 28 g/h).

14

❖ Nhận xét chung

Hình 11: Nhiệt độ, tốc độ làm thoáng, nồng độ ammonia và phát thải ammonia trong hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát Cả 5 đơn vị chuồng đều có cùng quy luật, với nhiệt độ và tốc độ làm thoáng cao thì nồng độ ammonia trong chất thải giảm và phát thải ammonia lớn.

15

Hình 12: Phát thải NH3 từ hệ thống thu chất thải và đơn vị kiểm soát, đo trong 280 ngày Ở chuồng có sàn kín cho mức độ phát thải ammonia cao nhất (100%), thấp nhất là hệ thống thu chất thải dạng ống (drain system) khoảng 39%. Như vậy, chuồng nuôi heo có hệ thống thu chất thải cho phát thải ammonia thấp.

4. Hiệu suất heo nuôi Bảng 2: Hiệu suất nuôi heo ở mỗi đơn vị chuồng Drive – out Drain

Flushing Fully

Partly

system

system

system

system

slatted

Number of pigs

320

320

320

320

320

Starting weight (kg)

24,5

23,6

23,9

23,5

23,5

Slaughter weight (kg)

106,2

102,7

106,1

107,5

108,5

Daily gain (kg)

0,769

0,751

0,748

0,763

0,772

16

Feed intake (kg/day)

2,09

2,02

2,06

2,10

2,11

Feed conversion (kg/kg)

2,71

2,70

2,76

2,75

2,73

6

2

0

1

7

%AA

13,1

10,7

8,1

6,9

8,0

%A

72,3

66,4

67,2

68,3

71,9

%B and C

14,6

22,9

24,7

24,8

19,1

Lean meat (%)

52,6

52,9

52,4

52,0

52,1

Mortality (number) Carass classification:

Từ bảng, ta thấy heo lớn đều ở các đơn vị chuồng nuôi. Tuy nhiên, ở chuồng nuôi có hệ thống thu chất thải có phần trăm heo đạt loại tốt nhất (AA) cao hơn so với 2 chuồng đơn vị kiểm soát. Trong đó, chuồng có hệ thống drive – out cho phần trăm heo đạt loại tốt cao nhất.

IV.

KẾT LUẬN Nhiệt độ và tốc độ làm thoáng có ảnh hưởng mạnh đến phát thải khí NH3 trong chăn nuôi heo. Nhiệt độ và tốc độ làm thoáng cao thì phát thải nhiều khí NH3 hơn.

Chuồng có hệ thống thu chất thải thì phát thải khí NH3 ít hơn so với chuồng làm sàn kín và sàn hở. Trong đó, chuồng có hệ thống ống phát thải NH3 ít nhất và chuồng lót sàn kín phát thải NH3 nhiều nhất.

Từ đó, ta có thể thiết kế chuồng nuôi heo có hệ thống thu chất thải để làm giảm lượng NH3, giảm ô nhiễm không khí.

17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. P. Hoeksma, N. Verdoes, J. Oosthoek, J. A. M. Voerman, 1992. Reduction of ammonia volatilization from pig houses using aerated slurry as recirculation liquid. Livestock Production Science 31, 121 – 132.

2. I. Vermeij, J. Enting, H.A.M. Spoolder. Effect of slatted and solid floors and permeability of floors in pig houses on environment, animal welfare and health and food safety; a review of literature. Animal Sciences Group, 2009.

18

N HÓM: 1 5 H u ỳnh T h ị H uệ

P h ạm T h ị K i m T rong

1 MỤC TIÊU 2 TỔNG QUAN VỀ AMMONIA (NH3)

3 THÍ NGHIỆM 4 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 5 KẾT LUẬN

➢ Kiểm tra hệ thống thu gom, xử lý chất thải từ chăn nuôi heo ở điều kiện thực tế ➔ xác định lượng khí ammonia phát thải ra môi trường. ➢ Chọn được hệ thống thu gom nào đạt hiệu quả nhất.

❖Ammonia (NH3) là khí độc, không màu, có mùi khai ❖Tác động của khí NH3: • Tạo mùi khó chịu • Gây viêm đường hô hấp cho người và động vật (400 ppm), loét giác mạc (700 ppm) • Gây ngộ độc cho loài thủy sinh dưới nước

Quan tâm đến quá trình chuyển hóa giữa NH3 và NO3-

➢Nguồn gốc khí ammonia trong chăn nuôi: từ phân heo và nước tiểu (85%) CO(NH2)2 + 2H2O → (NH4)2CO3 Urê

(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O ➔ Nồng độ NH3 trong chất thải ➢Trong môi trường yếm khí, xảy ra qt phản nitrate, tạo ra NH3

5 chuồng heo 1 chuồng lót sàn kín

1 chuồng lót sàn hở

Đơn vị kiểm soát

Hệ thống drive-out

3 chuồng Hệ thống ống (drain system) Hệ thống thu chất thải

Hệ thống rửa (flushing system)

Đơn vị kiểm soát

Chuồng sàn hở • Chiếm 63% diện tích mặt chuồng • Sức chứa của hầm bên dưới sàn trong 1 tuần => xả ra bên ngoài • Cấp nhiệt bằng floor heating và air heating

Chuồng sàn kín • Sức chứa của hầm bên dưới sàn khoảng 6 tháng • Cấp nhiệt bằng air heating

Hệ thống drive-out

Chất thải được lấy: 1 – 4 lần/ngày

Mương tập trung bên ngoài

Bơm

Nước tuần hoàn Mương thu chất thải

Hệ thống ống dẫn

Chất thải được xả khi đầy ống

0,4 m

Van

Bơm Ống tuần hoàn nước

Mương thu chất thải

Ống dẫn chất thải

Hệ thống rửa

Tần suất giội rửa: 6 lần/ngày

Ống tuần hoàn nước

Mương thu chất thải

• Bể làm thoáng: NH3 → NO3• Bể lắng: thu nước tuần hoàn, bùn sau lắng được làm thành phân bón.

➢Cả 3 hệ thống đều hoạt động tốt

➢Các ống được thay đổi để phù hợp với thí nghiệm, ví dụ cắt ngắn lại, mở rộng ra ➢Tạo dòng nước mạnh để phân được dội xuống mương dẫn hoàn toàn ➔ giảm phát thải NH3

Thông số

Đơn vị

Dòng ra từ chuồng heo

Dòng vào bể làm thoáng

Dòng ra bể làm thoáng

Ammonium – N

mg/L

200

180

2

Nitrate – N

mg/L

7

7

150

BOD

mg/L

2500

2000

1200

COD

mg/L

30000

23000

20000

7,7

7,7

8,0

pH

• Nồng độ nitrate, pH của dòng thải vào bể làm thoáng = dòng ra từ chuồng heo; BOD và COD giảm ➔ đi qua bộ phận tách, chất thải không thay đổi hàm lượng N • Qua bể làm thoáng, hàm lượng ammonium giảm và nitrate tăng ➔ NH3 chuyển sang NO3- và pH tăng

Nhiệt độ

Time (hours)

Time (hours)

• Cả 5 chuồng có nhiệt độ thay đổi theo thời gian: cao vào ban đêm (20 – 230C), thấp vào ban ngày (16 – 180C) • Chuồng có hệ thống thu chất thải: hệ thống rửa có nhiệt độ ổn định nhất.

• Đơn vị kiểm soát: thay đổi tương đương, sàn hở có nhiệt độ thấp hơn sàn kín

Tốc độ làm thoáng

Time (hours)

Time (hours)

• Cả 5 chuồng tốc độ thay đổi theo thời gian: thấp từ 0 – 12h, cao từ 13 – 23h • Chuồng có hệ thống thu chất thải: hệ thống ống có tốc độ làm thoáng cao nhất (7 m3/h/1000) • Đơn vị kiểm soát: thay đổi tương đương, sàn hở có nhiệt độ thấp hơn sàn kín

Nồng độ ammonia

Time (hours)

Time (hours)

• Nồng độ NH3 ở đơn vị kiểm soát cao hơn ở chuồng có hệ thống thu chất thải • Chuồng có hệ thống thu chất thải: hệ thống ống có [NH3] ổn định, h/t driveout có [NH3] cao nhất • Đơn vị kiểm soát: chuồng sàn hở có nồng độ NH3 cao nhất (9 mg/m3)

Phát thải ammonia

• Phát thải NH3 ở đơn vị kiểm soát cao hơn ở chuồng có hệ thống thu chất thải • Chuồng có hệ thống thu chất thải: phát thải ammonia tăng dần từ ht ống < ht rửa < ht drive-out • Đơn vị kiểm soát: biến thiên mạnh và đạt giá trị cao (16 – 28 g/h)

• Nhiệt độ và tốc độ làm thoáng tăng ➔ nồng độ ammonia giảm và phát thải ammonia tăng

• Phát thải nhiều nhất: chuồng có sàn kín • Phát thải ít nhất: chuồng có hệ thống ống

Drive-out system

Drain Flushing Fully system system slatted

Partly slatted

Number of pigs

320

320

320

320

320

Starting weight (kg)

24,5

23,6

23,9

23,5

23,5

Slaughter weight (kg)

106,2

102,7

106,1

107,5

108,5

Daily gain (kg)

0,769

0,751

0,748

0,763

0,772

Feed intake (kg/day)

2,09

2,02

2,06

2,10

2,11

6

2

0

1

7

Carass claasification %AA %A %B và C

13,1 72,3 14,6

10,7 66,4 22,9

8,1 67,2 24,7

6,9 68,3 24,8

8,0 71,9 19,1

Lean meat (%)

52,6

52,9

52,4

52

52,1

Feed convertion (kg/kg)

➢ Chuồng có hệ thống thu chất thải cho % số heo tốt nhiều nhất

➢Nhiệt độ và tốc độ làm thoáng tăng thì phát thải nhiều khí ammonia

➢Chuồng có hệ thống thu chất thải sẽ phát thải khí ammonia ít hơn chuồng làm sàn kín, sàn hở ➢Chuồng có hệ thống ống phát thải khí ammonia ít nhất

CẢM ƠN CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE

Liwslock Elscvier

Pruduclion Science, 3 I (1992) 121Science Publishem, B.V ., Amsterdam

132

121

Reduction of ammonia volatilization from pig houses using aerated slurry as recirculation liquid

This paper describes the results obtained from a pilot plant research into Ihe reduction of ammonia emission from pig houses. The slurry of 240 fattening pigs was separated and treated aerobically, thus Croviding ammonia free liquid. The Iiql;id was used as recirculation water lo remove fresh slurry from the pig house. Three systems for removing the slurry were tested.

In IWO uf these systems the fresh slurry was diluted by cokcling it in a layer of recirculation (flushing) liquid. The dilured slurry was removed from the pig houw 1 10 4 times per day. The ammoniz emissions from Ihe three pig unils wills the slurry removal systems were compared with the em&Ions from 1wo control units.

The rcsJts show a maximum reduction of ammonia emission from the treated uni;s of 7G% comp3red to the control unil wirh fully slatted floors, measured over a vriod of 280 days. !% differewes were measured in the performance uf the animals.

Ke.c’+vurds:

pig houses;

ammonia

volatilizaGon;

aeration;

slurr,~

removai.

IN-l-RODUCTlON

?‘he ammonia volatilization from. animal husbarldq contributes by about 30% to the acidification in the Netherlands (Asman and Van Jaarsveld, 1986).

Approximately 25% of the ammonia originates from pig farming (reference year 1986). The gouvernmcnt has state& that the ammonia emission. compared to 1980, has to be reduced with 70% in the year 2000 (Anonymous, 1990). Ammonia vaporizes from pig slurry on the pen floor, during slurry storage inside and outside the building and af’ter lagd spreading.

Reduction of ammonia emission can be achieved by processing the slurry. by technical measures with respect to housing, storage and spreading and b, optimizing ?ht: composition of the fodder. The addition to the fodder of certain enzymes which improve the utilization of proteins and the use of synthetic amino acids. will reduce the excretion of nitrrigen in the slurry (Jongbleed, 199 1 ). The emission from land application is reduced conklerabl~~ if 0301-52L6/92/SOS.O0

g:: 1992

EIsebier

Science

Publishcls

B.V.

.G

fitits

rtiried.

REDUCl!ON

Slurry

OF AMMONIA

removal

WL-tTILIZATION

FROM PIG .LtOlISFZi

123

systems

Three types of slurry removal systems were tested (Fig. 1): 1. The drive-out system: In this ‘flushing with retention’ system !Lere is a plane canal floor under tht: slats at a depth of 0.40 m. Under each row of pens there are two canals, 0.60 ;Ind 1.60 m wide. These canals are connected to a canal aside: and outside the pig house. A 0.10-m high threshold keeps a stagnant layer of slurry in the canals. The present slurry is driven out when the recirculation liquid (7 m3 a time) is pumped into the canals. TIE slurry is remnved 1-4 times a day depending on the slurry production. The average

I

I . I ,:â&#x20AC;&#x2122;

aerator

uppticction

125

to separate the slurry removed from the pig house. Three to five percent in volume of the influent was separated as solid fraction with a dry matter content of 12- 15%. The average volume of the solid fraction was 840 I/day, which was equal to the daily slurry production. This means that a constant quantity of liquid was recirculating. The liquid fraction was aerated (ditrused air), at a minimum temperature of lS”C, and thus the ammonia was biologically convened into nitrate. After aeration a sedimentation step was necessary to scttlc thr* sludge. For this purpose a setlling tank was part of the experimental x+u~.

Surpius siudgrr was mixed with tk separated sohds and usez! as a fertilizer.

The chemical analyses were done at the laboratory of IMAG-DLO. The samples taken at the experimental trcatmcnt plant were centrifuged and cooled to 4 -C directly after sampling until the moment of analysis. in order to preserve ammonium, nitrite and nitrate. These cclmpounds and also dry matter, pH, chemical oxigen demand (COD) and biological oxigen demand (BOD) were analysed according to the methods described by Nederlands Normalisatie Instituut ( 1991 )* Measmment of ammonia wlatilizatiofl The ammonia volatiliza’.ion from the slurry removal systems and the control units was determined by measuring the ventilation rate and the ammonia concentration in the exhaust ventilation air. The ammonia concentration was measured continuously with a NO,-analizer, based on the principle of chemoluminescence, as described by Scholtens ( 199@). In addition to the ventilation rate and the ammonia concentration the inside and outside temperature and air humidity were measured.

The parameters feed intake, length of fattening period, starting weight and slaughter weight v’ere recorded. After slaughtering ?he pigs were classified on type into four classes: AA (best), A, B and C. Statistical analysis was carried out according to the threshold model for a multinomial distribution described by kIacCullagh ( 1980).

RESULTS

Uperntion sltcrry removal sj3tems In general the three slurp removai systems operated satisfactory. The constructior? of the flushing system was changed during the experiment. The liquid transport pipes were shortened and widened. The tanks holding the I~uF!Iing liquid were placed inside the pig pens (Fig. 1 ). This was done to create a

mow puwrful liquid Ilow and thus tl, m-lkc sure that the faeces uc’re flushed gut from the canals cumplctelu. As L r~lt the ammonia rcleasca i‘rom the unit was substantially rcduccd.

I-iguru 3 shows the insik tcmpcraturc, th(: ventilation rate. the ammonis wncwtrtiikw in the cxhauht ventilation air and the ammonia emission o.qer II 3X-h pt’riod f’rom the Aurry removal systems and the control units.

Awragc cunicnfr:ltions a! ~mmt)ma, nkue biological oxygen demand (BOI) mrrncl SCUD) and pH if ttu: liquid flow ufthc sIur;y treancr~t system Efilucnt pig house :\nwwniuwN Nitr3ter\i Hi II) (‘OII PI! -- -.-

(w/l

1

200

7

( mg/ I I (me/lI tmg!‘l) ^” .-_ .--

7500 30 000 7.7 -~-

j. chemical

oxygen

Influcnt

dr-

Elllucnt aerator .~ 2 IS0 I zoo 20 000 8.0

3cr3t0r

I80 7 7000 13 000 ?.7 .~

tt(EL~I.:CTION

OF- AMMON14

____-

VOWTILIZATION

-

------

FROM

PIG HOUSES

127

-~ __

-._.._-.-_._- -.-__

1 cl:

104

5; T_ -_--l---.--.

12 24

o-l&---

J

- -, ---__ 36

Vcl~t.---- rcte - Crn”/h/lOCC) , (-) ~‘__ --.. .. -.-. -~ ------

40

I L

+ (-j+-.,.-.-,-0 dent ! 0 ---_ ,

i

- * _ - -24

12 rate[m’/h/l?~9; _-~I-_

-i 36

~.--

48 -

1

B?

_--._. r-_----1 ’ o-I-.*.

-----------72 -‘r---24

36

40

0

--‘-24

‘2

-___ i 36

-l:e

--__I

3c7-- Emissioi ----

- Drive

Fig. from

-out

3. Inside tl~e sIurry

NP,

$./PI-

systerr

----

--3.mn

temperature,

removal

---.-.-

s;rstem

~

30

---Flush

ventiIation

systems

and

Emtsskoa - _ ------ ?I+

sys?er-

rate, ammcjnia the control units

-

Fu’ly

(g/h)

slotted

roncwtration over a bxiod

--- ?cc;t’y

s!ct:er:

and ammonia cf 48 h.

emirsion

The average animal weight in the five units was +proximztely 50 kg at the time. The slurry was discharged 3 times per day from the drive-out system and the drain system. System 3 was flushed 6 times per day. The tenrycl’ature in the four units with the partly slatted floor was set at I7 ‘C and in the unit with !h;: fully slatted floor at 18 ‘C. The ir side temperature and the ventilation rate are dependent parameters: they show a strong positive correlation.

Hi& temperatures and venrilation rates are accompanied with low ammonia concmtrations in the exhaust ventilatior . zir and with high ammonia emissions. The levels of ammonia C.-oxen-

Time

.:;.

5 1 aL’\l r-t ty

s:ot?rd

tra~ii~n ;lnd rrmmtxkk emission from the units with the slurry rerikoval systems ;11c’xigniticantly Iowc:~ than from the control units.

In the confrol unit bvith fully slatted floor the ventilation rate is consistently higher than in the unit with partly slatted fbor.

Figure 4 shows the course of the daily average ammonia emission from the removal systems and the control units over a period of 280 days (April-Januzry). The batches in the units with the hydraulic removal systems started with a differlhlluc* in time of three weeks.

Y’hc contr{ri units wtx operated synchronously.

From the unit with the tartly slatt~x~ iloor the slurry was removed weekly. In the test period the S1uCr: was rcmo\ 4 only once (at day 100 j from the unit with fully slatted floor.

REDCI(TIC)N Rcl.

725

C)FAMMONIA emission

-

VOLATILW.4TIUN

FROM PIG HOUSES

1.1,)

129

--

1

Fully slatted

Fig. 5. Relative measured uvcr

TABLE

Partly slatted

emission a period

Drive-out systcrn

levels of NH, of 280 days.

Drain system

from

the slurry

Flush system

removal

systems

and

the control

units,

2

1 ;:P performance

of the animals

in each of the five S~;tem

Number

-of pigs

SIaninS

wcighl

{kg)

Slaughter weight (kg j Daily gain (kg) Feed intake (kg/day) Feed coDversion (kg/kg) Monalily {number) Carcass classificarion: ?+I AA %I A OhRandC Lean mea

(%a)

320 24.5 106.2 0.769 2.09 3.71 6 13.1 72.3 14.6 52.6

I

units

System 320 23.6 102.7 0:151 2.02 2.713 2

(ia the period 2

19894ugust

1990)

Fully slated

Partly slated

320 23.9 105.1 0.748 2.06 2.76 0

320 23.5 107.5 0.763 2.10 2.75

320 23.5 108.5 0.772 7.1 I 2.73

8.1 67.2 25.7 52.4

6.3 68.3 2t.a 52.0

8.u 71.9 19.1 52. I

System

April 3

The arrows in Fig. 4 indicate the moments at which the fini~kti pigs were deliver& and the pens were cleaned. The effect on the ammonia emission is obvious in all the units. During the fattening peri& the emission is increasing. The emission from the units with the partly sIatted floor increased n?~!re rapidly than from the unit with fully slatted floor.

Figure 5 shows the relative emission ievels from the five units. measured O-.W the same period of 280 days. The emission levet of the control unit with the fully clatted floor was set at 100%. The drain system shows the lowest level

Phe ammonia concentlati?:: and thy ammonia emission from the flushing systsrn shk,ul a strong fluctuation in which the flushing regime is reflected. No Jircct t-n’cct of the frequency of <IUI c-, rrmmoval on the ammonia concentrat10n and cmisslon is obscrvcd in the drive-out ,;ystcm and the drain system.

I J~rc‘ the in Huencc of the bufkrr tlg capacity of the layer of recirculation liquid Ill the !.:..A-,* canala; is rwticc.rMe. A rcrlcvant question is to what extend a more t’l.*qucnt Jurry removal <jr ttlc* WC rll’ a larger quantity of recirculation liquid H.OUM further rcdwc the ammonia emission. Also the moment oFslurry dischdrpcs CCWII~~ t-c critical wi*h to animal activity, which is strongly related to the fading rcgimc. To :Inswer this question detailed information is needed 3b~ut the ccmtribution to the emission from the pen floor and from the slurry jr1t.

‘T‘hc incrcasc of !hd* !rllmcnia emission during the fattening period can be cxplaincd by the increase of slurry production by the growing animals. The ammonia emission from the units with partly slatted floor increased more rapidly during the fattening period than the emission from the ukt with fully slatted floor (Fig. 4). This is because 01’ the increasing dirtiness cf the partly slatted pen floor with increasing slurry production.

The degrcr: of floor bet’ouling greatly depends on the inside temperature, and therefore can be influcnc-cd to a c t-r-win degree by more accurate climate control (Randall et al,, lYY3).

w~I,( It III IN fir;

AMMI

INlA VC)LATILI%ATICtN

FROM FIG HOC&ES

131

A pig house with partly slatted floor is preferred to a pig house with fully slatted floors with respect to animal welfare (Ruiterkamp, 1985) and energy requirement ( CAD-Varkenshouderij, 1987 ) .

As in the unit with the drain system the ammonia emission from the slurry canals is minimized and the drain system does not affect the emissirJn from the wn fiour, IIIC ldttcr for ;hc main pz:rt dt!zr?~iaes !he ultimate emission level from this unit.

As approximately 40% of the ammonia emission from pig production is released from pig buildings (Anonymous, 1WO), some action in the pig house, may be in combination with measures at the stage of outside storage or spreading, has to be taken to meet the goal for the emission reduction.

Further technical optimation of the slurry treatment system as described in this paper has to be done to make it suitable for automatic operation on the pig farm. Process effrcicncy and (sludge) control are important aspects to focus on.

In conclusion, the emission of ammonia from pig houses can be effectively rerluced by frequent hydraulic removal of the slurry from the slurry canals underneath the pig house using ammonia-free recirculation liquid obtained by aerobic slurry treatment. The most effective removal systems are those in lvhich a stagnant layer of recirculation liquid in the slurry canals is replaced daily. The level of ammonia emission from these systems is 60 to 70% lower than from operations which keep fattening pigs on fully slatted floors without any slurry treatment. Ammonia emitted after slurry treatment is mainly released from the pen floor.

ACKNOWLEDGEMENIâ&#x20AC;&#x2122;S

The authors thank the workers of the Experimental Farm for Pig Husbandry at Sterksel (Netherlands) for their cooperation.

This research was financially supported by the Financing Board for Manure and Ammonia Research (FOMA).

REFERENCES ,4amink, A.J.A. and van Ouwerkerk.

E.N.J., 1990. Model for estimating volume and composition of slurry from fattening pigs (MESTPRO).

Rapport 229. IMAG-DLO, Wageningen. .4nonymous, 1990. Plan van aanpak beperkingammoniak+xtiss~c van de landbouw.

Regcringsbeslissing.

Minisreries LNV and VROM The Hague.

As;nan, W.G.H. and van Jaarsveld, J.A., 1986. Schatting van de deporitie v,n de ammoniak en ammonium in Nederland t.b.v. bet beleid in het kader van de Hinderwet.

Rericht R-86-8.

Instituut voor Mcteorologie en Oceanografie.

Rijksuniversiteit Utrccht.

Bruins, ,M.A., 199 1. De ammoniakemissie tijdens en na het uitbrcngcn vau v~kens-. ruderen kippemest.

IMAG-rapport 9 1-5.

Buss;nk, D.W., Klxcnbeek, J.V.. Hurjsmans.

J.F.ltl. and Bntins. M-.4.. 1990 .Ammc ntalcmis-