Luận văn Thiết kế hệ thống xử lý mùi tự động cho trang trại thông minh

ác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Trần Hoài Linh. Kết quả đạt được là hoàn toàn trung thực. Để hoàn thành luận văn này tác giả chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Chí Linh, ngày 25 tháng 7 năm 2018 Tác giả luận văn Nguyễn Huy Hoan Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU............................................................................................................................1 1. Lý do lựa chọn đề tài....................................................................................................1 2. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1 3. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................................2 4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài........................................................................2 CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG TRANG TRẠI CHĂN NUÔI........3 1.1.Vấn đề môi trường trong quản lý chất thải chăn nuôi...................................................3 1.2. Vấn đề môi trường trong xử lý chất thải......................................................................7 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN KHÍ.............................................................9 2.1. Phương pháp đo nồng độ khí...............................................................................10 2.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2]............................................10 2.1.2 Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors) [2]...............................................12 2.1.3. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors) [2]...........................................14 2.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) [2]....................................................15 2.2. Một số loại cảm biến đo nồng độ khí trong thực tế [5]...........................................16 2.2.1. Cảm biến CTX 300...........................................................................................16 2.2.2. Cảm biến MQ-6................................................................................................17 2.2.3. Cảm biến khí MQ-7..........................................................................................19 2.2.4. Cảm biến MQ135............................................................................................21 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ MÙI TỰ ĐỘNG...............................26 3.1. Mô phỏng hệ thống đo nồng độ khí NH3 trên Matlab.................................................26 3.1.1. Mô phỏng khối cảm biến đo khí NH3...............................................................26 3.1.2. Mô phỏng bộ biến đổi tương tự - số.................................................................27 3.1.3. Bộ hiển thị số....................................................................................................30 3.1.4. Kết quả mô phỏng............................................................................................30 Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ 3.2. Thiết kế hệ thống xử lý mùi tự động..........................................................................32 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống...........................................................................................33 3.3.1. Mạch điều khiển trung tâm...............................................................................33 3.3.2. Cảm biến..........................................................................................................42 3.2.3. Mạch nguồn:....................................................................................................43 3.3.4. Mạch hiển thị LCD...........................................................................................44 3.2.5. Mạch công suất................................................................................................44 3.3. Lập trình điều khiển hệ thống............................................................................47 3.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống đo nồng độ khí ( Hình 3..................47 3.3.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống xử lý mùi trong trường hợp nồng độ khí NH3 vượt ngưỡng................................................................................................47 3.3.3. Chương trình điều khiển...................................................................................50 3.3. Kết quả triển khai trên thiết bị....................................................................................55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................62 Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Số lượng của một số nhóm chăn nuôi chính......................................................3 Bảng 1. 2. Chất thải rắn từ chăn nuôi ở Việt Nam 2011-2016............................................4 Bảng 1. 3. Hiện trạng xử lý chất thải tại các trang trại chăn nuôi........................................8 Bảng 1. 4. Hiện trạng xử lý chất thải và hình thức áp dụng xử lý chất thải tại các nông hộ chăn nuôi............................................................................................................................8 Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Sơ đồ hệ thống quản lý chất thải chăn nuôi........................................................5 Hình 2. 1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác...........................................................................12 Hình 2. 2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)...............................................14 Hình 2. 3. Cấu tạo cảm biến điện hóa...............................................................................15 Hình 2. 4. Cảm biến CTX 300..........................................................................................16 Hình 2. 5. Sơ đồ đầu đo có hiển thị nối với mạch ngoài...................................................16 Hình 2. 6. Sơ đồ đầu đo không hiển thị nối với mạch ngoài.............................................17 Hình 2. 7. Cảm biến MQ6.................................................................................................17 Hình 2. 8. Cấu trúc cảm biến MQ6...................................................................................18 Hình 2. 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-6.......................................19 Hình 2. 10. Cấu tạo cảm biến MQ-7.................................................................................20 Hình 2. 11. Mạch ghép nối cảm biến MQ-7......................................................................20 Hình 2. 12. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-7....................................21 Hình 2. 13. Sensor MQ135...............................................................................................21 Hình 2. 14. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ135...................................22 Hình 2. 15. Sơ đồ kết nối của cảm biến............................................................................23 Hình 2. 16. Đường đặc tính logarit của cảm biến..............................................................24 Hình 2. 17. Sơ đồ mô phỏng thiết bị đo NH3 trên Matlab................................................31 Hình 3. 1. Sơ đồ khối hệ thống đo nồng độ khí NH3.........................................................26 Hình 3. 2. Sơ đồ mô phỏng khối cảm biến đo khí NH3...................................................27 Hình 3. 3. Bộ biến đổi tương tự - số..................................................................................28 Hình 3. 4. Bộ biến đổi tương tự - số thời gian một nhịp...................................................29 Hình 3. 5. Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi tương tự - số...............................................30 Hình 3. 6. Sơ đồ mô phỏng thiết bị đo NH3 trên Matlab..................................................31 Hình 3. 7. Sơ đồ khối hệ thống xử lý mùi tự động............................................................32 Hình 3. 8. Kiến trúc Harvard và tổ chức bộ nhớ của AVR................................................35 Hình 3. 9. Sơ đồ ngắt........................................................................................................37 Hình 3. 10. Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA8..........................................................41 Hình 3. 11. Sơ đồ chân module cảm biến MQ135............................................................42 Hình 3. 12. Sơ đồ mạch nguồn..........................................................................................43 Hình 3. 13. Sơ đồ mạch hiển thị LCD...............................................................................44 Hình 3. 14. Sơ đồ mạch công suất.....................................................................................44 Hình 3. 15. Các loại quạt cho trang trại chăn nuôi............................................................45 Hình 3. 16. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo nồng độ NH3..................................................47 Hình 3. 17. Lưu đồ thuật toán đo nồng độ khí NH3...........................................................48 Hình 3. 18. Lưu đồ thuật toán điều khiển khi nồng độ khí NH3 vượt ngưỡng...............49 Hình 3. 19. Một số kết quả mô phỏng...............................................................................59 Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ Hình 3. 20. Kết quả mô phỏng khi nồng độ NH3 vượt quá giới hạn cho phép được xử lý mùi bằng điều khiển quạt gió............................................................................................59 Hình 3. 21. Sơ đồ mạch in...............................................................................................56 Hình 3. 22. Sơ đồ bố trí thiết bị.........................................................................................57 Học viên: Nguyễn Huy Hoan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay chăn nuôi truyền thống đang phải đối mặt với một vấn đề rất nan giải đó là sự gây ra ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước và không khí. Sự ô nhiễm đã tạo ra mùi hôi và và khí độc ảnh hưởng đến sức khỏe của gia cầm và đặc biệt là con người. Do xử lý chất thải không tốt, bởi không có dụng cụ đo kiểm soát môi trường khí thường xuyên, nên khí NH3 và H2S, độc phát tán, gây bệnh đường hô hấp cho vật nuôi đặc biệt là gây nguy hiểm cho con người. Do vậy, việc khử mùi cho các trang trại chăn nuôi là rất cần thiết. 2. Tính cấp thiết của đề tài Theo QCVN 01 - 99: 2012/BNNPTNT [3] quy định chỉ tiêu thông số kỹ thuật và nồng độ các khí cho môi trường không khí chuồng nuôi như bảng 1. Dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật quy định trong bảng 1, ta thấy có 2 thông số khí quan trọng đó là khí NH3 và H2S cần kiểm soát. Khi thiết bị đo đo được các thông số khí H2S và NH3, nếu thông số này vượt ngưỡng cho phép thì các trang trại chăn nuôi phải có các biện pháp xử lý: Bao gồm các biện pháp cơ học, lý, hóa học được sử dụng để khử mùi, loại bỏ các tác nhân gây hại cho người và gia cầm khi các chỉ tiêu này quá nồng độ cho phép. Vì vậy việc thiết kế hệ thống xử lý Học viên: Nguyễn Huy Hoan 1 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ mùi tự động tại các trang trại là rất cần thiết, đáp ứng được xu thế phát triển và bảo vệ môi trường theo nhu cầu giám sát của các cấp quản lý. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu thiết bị xử lý mùi cho trang trại chăn nuôi. - Thiết kế và chế tạo một thiết bị đo khí NH3 đáp ứng các yêu cầu sau: + Dải đo: 10 – 100ppm. + Thiết bị có kích thước nhỏ gọn (có thể cầm tay), hiển thị trực tiếp nồng độ các khí lên LCD, cảnh báo trên đèn LED và còi báo động). 4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cảm biến khí nói chung và cảm biến khí NH3 nói riêng; - Xây dựng mạch đo ứng dụng vi điều khiển. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học - Tổng hợp về phương pháp đo nồng độ khí NH3; - Mô phỏng thiết bị đo khí NH3. b. Ý nghĩa thực tiễn - Chế tạo được thiết bị đo nồng độ khí NH3 dùng cảm biến MQ135 thiết bị chạy ổn định, có khả năng hiển thị kết quả trên LCD của thiết bị và trên máy tính. - Thiết bị có thể được ứng dụng để đo nồng độ khí NH3 trong các trang trại nuôi gà công nghiệp, để từ đó các chủ trang trại có những biện pháp xử lý khi nồng độ khí này vượt quá ngưỡng cho phép để đảm bảo an toàn về môi trường và sức khỏe cho con người. Học viên: Nguyễn Huy Hoan 2 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG TRANG TRẠI CHĂN NUÔI Việt Nam là một nước nông nghiệp có hơn 11 triệu ha đất sản xuất nông nghiệp, vì vậy nhu cầu phân bón và phân bón hữu cơ rất cao. Những năm gần đây, ngành chăn nuôi nói chung, chăn nuôi lợn, gà nói riêng đã có những tiến bộ đáng kể về chất lượng con giống, kỹ thuật chăn nuôi, cơ sở chuồng trại, quản lý dịch bệnh, v.v... Hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán, mang tính tận dụng, tự cung tự cấp tuy vẫn còn chiếm một tỷ lệ lớn, chủ yếu ở các vùng sâu, vùng xa, nhưng đang dần bị thay thế bởi mô hình chăn nuôi công nghiệp tập trung. Các cơ sở chăn nuôi lợn, gà có quy mô tập trung này chủ yếu được xây dựng gần các khu dân cư hoặc các khu công nghiệp có đông đảo người lao động nhằm tạo vành đai cung cấp thực phẩm với số lượng lớn, đáp ứng thị hiếu sử dụng thực phẩm tươi sống (thực phẩm không qua đông lạnh) của người tiêu dùng, lượng phế phụ phẩm chăn nuôi lợn, gà còn lại được sử dụng để bón cho cây trồng. 1.1.Vấn đề môi trường trong quản lý chất thải chăn nuôi [5] Theo thống kê của Bộ NN&PTNT về chăn nuôi, số nhóm chăn nuôi chính ở nước ta hiện nay như sau: Trong những thập kỷ gần đây, người ta đã chú trọng nhiều đến việc phát triển hệ Bảng 1. 1. Số lượng của một số nhóm chăn nuôi chính STT Loại vật Năm TTBQ/năm nuôi 2011 2012 2013 2014 2015 2016 (%) 1 Trâu 2,71 2,63 2,56 2,52 2,52 2,51 -1,45 (triệu con) 2 Bò 5,43 5,19 5,15 5,23 5,36 5,50 0,24 (triệu con) 3 Lợn 27,06 26,49 26,26 26,76 27,56 29,08 1,45 (triệu con) 4 Gia cầm 322,5 308,5 317,1 327,7 341,4 361,7 2,32 (triệu con) thống chăn nuôi bền vững. Để tăng lợi nhuận nông dân đã và đang chuyển sang sản xuất trang trại chuyên môn hóa cao. Phương thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hoá quy mô trang trại những năm gần đây ngày càng nhân rộng và phát triển. tính đến hết năm 2015, cả nước có 15068 trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm và đã xuất hiện mô hình trang trại tư nhân với quy mô lớn, ứng dụng khoa học kỹ thuật tốt và đạt hiệu quả kinh tế cao. Với sự gia tăng không ngừng về chăn nuôi, mỗi năm khối lượng nguồn thải từ Học viên: Nguyễn Huy Hoan 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ chăn nuôi ra môi trường là một con số khổng lồ - khoảng 84,5 triệu tấn chất thải rắn và 50 triệu mét khối chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước từ sân chơi, bãi vận động, bãi chăn) trong đó chỉ có khoảng 60% được xử lý, khoảng 20% được sử dụng hiệu quả (làm khí sinh học, ủ phân, nuôi côn trùng, cho cá ăn,), còn lại 40% lượng chất thải chăn nuôi vẫn được thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm. Trong công trình nghiên cứu của mình, Porphyre và Nguyễn Quế Côi đã nhìn nhận phế thải chăn nuôi là sản phẩm của quá trình chăn nuôi (Porphyre & CS, 2006). Trên thực tế, người nông dân không những biết cách sử dụng nguồn phế thải chăn nuôi làm phân bón cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà còn sử dụng nó như một nguồn thức ăn trong nuôi trồng thuỷ sản. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà người nông dân sử dụng phế thải chăn nuôi ở dạng này hay dạng khác, như: - Ủ compost. - Bón tươi trực tiếp cho cây trồng. - Hầm biogas. - Xả trực tiếp ra sông, suối. - Làm thức ăn cho cá. - Bán phân tươi. Phân tách 30,95% Bảng 1. 2. Chất thải rắn từ chăn nuôi ở Việt Nam 2011-2016 Phân Chất Vật con/ngày Lượng chất thải hàng nămthải (triệu tấn/năm) nuôi Không phân tách 69,05% (kg) 75% Trong 2011 2012 2013 2014 2015 trang2016 trại 38,1% Lợn 2,5 24,69 24,18Bón cây 23,96 19,54 25%25,32 Ngoài26,53 Gia cầm 0,2 23,55 22,52 22,98 23,92 24,96 trang26,41 trại 100% Bò 10 28,57%19,84 Thu18,96 gom bán18,82 19,11 19,59 Đun20,06 nấu Trâu 15 14,85 14,39 14,01 13,75 13,82 13,79 XỬ 47,62% 20% Dê, cừu 1,5 0,66 0,73Biogas 0,74 0,91Khí gas 1,03 Phát1,18 điện NgựaLÝ 4 0,13 0,12 0,12 0,10 0,09 0,08 9,52% Hươu, 2,5 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,05 nai Compose Nước thải Tổng cộng 83,77 80,95 80,69 77,386 84,88 88,10 52,18% Đưa xuống 30% 70% ao cá Học viên: Nguyễn Huy Hoan 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử 60% 28,57% Thải ra môi trường Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ Hình 1. 1. Sơ đồ hệ thống quản lý chất thải chăn nuôi Ủ compost: Để có thể ủ được phân compost thì cần phải phân tách được chất thải rắn và chất thải lỏng do đó chỉ có nơi nào tiến hành phân tách chất thải mới áp dụng biện pháp này. Tuy nhiên, tỷ lệ phân tách chất thải khá thấp nên việc ủ phân compose không được sử dụng nhiều. Nguyên nhân là do phân lợn thường rất khó thu gom vì bị nát, dễ hòa tan cùng với nước tiểu và nước rửa chuồng. Do đó, khối lượng phân thu gom được để đem đi ủ là khá ít. Về thời gian ủ theo các chủ trang trại là từ 8- 25 ngày (trung bình 14,5 ngày) cũng do thời gian của một mẻ ủ khá dài nên biện pháp này cũng ít được sử dụng và tỷ lệ xử lý so với tổng nguồn thải cũng rất ít. Biện pháp này có ưu điểm phân sau ủ không còn mùi hôi thối, lại có thể sử dụng tốt để bón cho cây, đất hoặc dễ bán hơn là phân tươi. (Cao Trường Sơn và CS, 2014). Bán phân tươi: Đây là biện pháp thu gom chất thải rắn trong những lần dọn chuồng, lượng phân rắn thu được sẽ bán cho những hộ trồng trọt có nhu cầu sử dụng Học viên: Nguyễn Huy Hoan 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ phân. Biện pháp này cũng được áp dụng khá phổ biến ở các trang trại lợn (Cao Trường Sơn và CS, 2014) Bón cho cây: Đây là biện pháp mà các trang trại sử dụng trực tiếp phân và nước thải của các chuồng nuôi lợn để tưới hoặc bón cho cây trồng. Đây cũng là một trong những biện pháp được áp dụng khá phổ biến. Thông thường biện pháp này được áp dụng khi khu chăn nuôi có kết hợp với trồng trọt. Đánh giá về biện pháp này, hầu hết các chủ trang trại đều cho là tốt do họ giảm được chi phí mua phân bón cho cây trồng, cây trồng nhờ đó cũng phát triển tốt và đất đai trong trang trại của họ cũng được cải thiện. Tuy nhiên, trên thực tế đây là biện pháp bón phân không hợp vệ sinh bởi trong chất thải chuồng lợn có chứa nhiều mầm bệnh nên khi bón trực tiếp vào đất và cây trồng sẽ đem theo cả các mầm bệnh này từ đó tiềm ẩn khả năng gây bệnh cho con người cũng như khả năng ngộ độc thực phẩm cao. Hầm biogas: Đây là công nghệ đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam. Nguyên liệu khi qua công nghệ biogas thì một phần sẽ chuyển hóa thành khí biogas, còn một phần là bã đặc và nước thải lỏng. Bã thải này có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau: như dùng để làm phân bón (giúp tăng năng suất cây trồng, hạn chế sâu bệnh, nâng cao độ phì cho đất); các mục đích khác (xử lí hạt giống trước khi gieo trồng, nuôi thủy sản, trồng nấm), công nghệ biogas cũng đem lại nhiều lợi ích trong việc đun nấu, thắp sáng, chạy động cơ đốt trong (thay thế xăng, dầu dieden), úm gà con, nuôi tằm, sưởi nhà kín, giảm bớt mùi hôi thối chuồng trại. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của công nghệ này là chất lượng đầu ra của việc xử lí chất thải không đạt QCVN 24: 2009/BTNMT, chi phí đầu tư ban đầu lớn, khả năng tạo khí chưa cao, khó khăn trong việc lấy chất thải sau khi xử lí và mất nhiều thời gian xử lí. Sử dụng làm thức ăn cho cá: Đây là hình thức xử lý chất thải bằng cách đưa chất thải từ các chuồng trại xuống ao nhằm cung cấp thức ăn cho cá. Biện pháp này rất hiệu quả do vừa tiết kiệm được chi phí mua thức ăn cho cá, vừa giải quyết được vấn đề môi trường, hơn nữa biện pháp này lại rất đơn giản và không tốn nhiều công sức. Tuy nhiên, nếu thả quá nhiều chất thải xuống ao cá có thể gây ô nhiễm nước ao và làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cá; hơn nữa việc sử dụng phân thải làm thức ăn còn phải căn cứ vào loại cá thả trong ao. Thải bỏ ra ngoài môi trường: Đây thực chất là hình thức các trang trại không tiến hành xử lý chất thải mà đem xả thải trực tiếp vào môi trường. Điểm xả thải thường là các ao, mương, kênh, rãnh nước tự nhiên xung quanh các trang trại. Việc xả thải này chắc chắn sẽ tác động rất xấu đến môi trường do nguồn thải phát sinh lớn, liên Học viên: Nguyễn Huy Hoan 6 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ tục trong khi các nguồn tiếp nhận thường hạn chế và nhỏ hẹp. Mỗi hình thức đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên, hiện nay các trang trại thường chỉ sử dụng 1 đến 2 biện pháp xử lý chất thải đơn lẻ nên không giải quyết triết để được nguồn thải phát sinh. Do đó sử dụng cùng lúc nhiều biện pháp xử lý sẽ giúp các trang trại không những xử lý triệt để được nguồn thải mà còn giúp họ tăng cường sử dụng chất thải, tiết kiệm được chi phí và tạo ra thu nhập tăng thêm. Bên cạnh đó, việc quản lý môi trường chăn nuôi còn thiếu sự quan tâm thỏa đáng của các cấp chính quyền, thói quen lao động chưa gắn chặt với việc bảo vệ môi trường; Phương thức và tập quán chăn nuôi vẫn còn nhỏ lẻ, phân tán xả thải tự nhiên ra môi trường và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường trực tiếp, phạm vi, quy mô rộng lớn. 1.2. Vấn đề môi trường trong xử lý chất thải [5] Khi chăn nuôi theo hướng trang trại hoặc các làng nghề chăn nuôi mang tính hàng hóa được hình thành và phát triển thì vấn đề vệ sinh môi trường đã nảy sinh và thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà quản lý môi trường (Lê Văn Tản, 2008; Nguyễn Thiện & CS, 2004; Gerber & CS, 2005, Menzi H & CS, 2005). Sự ô nhiễm môi do các chất thải chăn nuôi đã làm ảnh hưởng trực tiếp tới hệ sinh thái, chuỗi thức ăn và sức khỏe con người. Trong quá trình chăn nuôi gia súc và gia cầm, quá trình lưu trữ và sử dụng chất thải tạo nên nhiều chất độc như là SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, NO3, NO2, indole, schatole, mecaptan, phenole... và các vi sinh vật có hại như Enterobacteriacea, E.coli, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella...hay các ký sinh trùng có khả năng lây bệnh cho người. Các yếu tố này có thể làm ô nhiễm khí quyển, nguồn nước, thông qua các quá trình lan truyền độc tố và nguồn gây bệnh hay quá trình sử dụng các sản phẩm chăn nuôi (Bùi Hữu Đoàn & CS, 2011) Để giảm phát thải khí nhà kính trong chăn nuôi, trong những năm gần đây, Chính phủ Việt Nam đã ban hành nhiều văn bản, chính sách giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực chăn nuôi, cụ thể như: Quyết định số 47/2007/QĐ-TTg ngày 6/4/2007 của Thủ tướng Chính phủ giao Bộ TN&MT và các Bộ, ngành, địa phương có liên quan thực hiện Nghị định thư Kyoto và cơ chế phát triển sạch (CDM); Quyết định số 130/2007/QĐ- TTg ngày 2/8/2007 về một số cơ chế, chính sách đối với dự án đầu tư theo CDM; Quyết định số 24/2014/QĐ-TTg ngày 24/3/2014 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện sinh khối ở Việt Nam. Bảng 1. 3. Hiện trạng xử lý chất thải tại các trang trại chăn nuôi. Học viên: Nguyễn Huy Hoan 7 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ STT Hình thức Tỷ lệ% Trang trại 1 Số trang trại thực hiện báo cáo 14,3 2.113 đánh giá tác động môi trường 2 Số trang trại có kế hoạch bảo vệ 51,2 7.682 môi trường 3 Số trang trại được chứng nhận 7,8 1.131 an toàn dịch bệnh 4 Số trang trại được chứng nhận 2,2 346 an toàn sinh học 5 Số trang trại được chứng nhận 21,3 3.310 VietGAP và các hình thức khác 6 Số trang trại chưa áp dụng các 3,2 486 biện pháp xử lý chất thải Tổng 100 15.068 Nguồn: Báo cáo Cục chăn nuôi năm 2017. Bảng 1. 4. Hiện trạng xử lý chất thải và hình thức áp dụng xử lý chất thải tại các nông hộ chăn nuôi. STT Chỉ tiêu Tỷ lệ (%) Số lượng (Triệu hộ) 1 Số hộ áp dụng các biện pháp xử lý chất thải 53 2,2 2 Số hộ chưa áp dụng các biện pháp xử lý chất thải 47 1,9 3 Số hộ chăn nuôi có chuồng trại 85 3,5 4 Không chuồng trại 15 0,6 Tổng 8,2 Nguồn: Báo cáo Cục Chăn Nuôi năm 2017. Theo các nhà khoa học, xử lý chất thải chăn nuôi bằng công trình KSH (biogas) được đánh giá là giải pháp hữu ích nhằm giảm khí thải CH4 và sản xuất năng lượng sạch. Với trên 500.000 công trình KSH hiện có trên cả nước (336.000 công trình KSH thay thế Học viên: Nguyễn Huy Hoan 8 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ than đun nấu vùng đồng bằng và 224.000 công trình KSH thay thế củi đun nấu vùng miền núi), sản xuất ra khoảng 450 triệu m3 khí gas/năm. Theo thông báo quốc gia lần 2 về phương án giảm nhẹ khí nhà kính của Việt Nam, tiềm năng giảm nhẹ phát thải khí nhà kính của phương án này khoảng 22,6 triệu tấn CO2, chi phí giảm đối với vùng đồng bằng là 4,1 USD/tấn CO2, đối với miền núi 9,7 USD/tấn CO2, mang lại giá trị kinh tế khoảng 1.200 tỷ đồng về chất đốt. Do đó, khả năng giảm thiểu khí phát thải của công trình KSH sẽ tăng lên trong tương lai và tầm quan trọng của việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này, không chỉ nhằm giảm nhiệt độ ngày càng nóng lên của khí hậu toàn cầu, mà còn giúp Việt Nam đi theo hướng phát triển nền kinh tế có hàm lượng các bon thấp và phát triển bền vững. Mặc dù vậy, phát triển KSH tại Việt Nam còn gặp một số khó khăn vì mức đầu tư cao so với khả năng tài chính của người nông dân, hỗ trợ của nhà nước thấp và phụ thuộc nhiều vào quy mô và tính ổn định của ngành chăn nuôi. Kết luận chương1: Viêṭ Nam la một nước nông nghiêp̣ có nguồn tài nguyên giau có va phong phú. Tuy nhiên, sự trù phú nay đang can kiêṭ dần do một nền nông nghiêp̣ nghèo nan, lac hậu va manh mún. Điều nay đã dân tới năng suất của nền nông nghiêp̣ rất thấp. Thêm vao đó, nông dân thiêu kiên thưc khoa hoc trong viêc̣ trồng trot va chăn nuôi ma chủ yếu áp dụng các kinh nghiêṃ dân gian, cung như các kê hoach san xuất chất lượng cao. Hơn thế nữa, Viêṭ Nam la nước có khi hậu nhiêṭ đới ẩm gió mùa, do đó, có sự chênh lênḥ về thơi tiêt lớn giữa các mùa trong năm, thậm chi la trong một ngay. Vi dụ, thơi điêm mùa hè, nhiêṭ độ có thê lên tới trên 400 C, trong khi đó, nhiêṭ độ có thê xuông tới 50 C vao mùa đông. Vi vậy, các trang trai nuôi gia súc, gia cầm cần phai có biêṇ pháp chông nóng va chông lanh cho vật nuôi. Một sô biêṇ pháp điên hinh đó la sử dụng gian phun sương lam mát, đèn sưởi. Ngoai ra, chất thai trong chăn nuôi cung la một yêu tô góp phần gây ô nhiêm môi trương va bênḥ tật cho gia súc, gia cầm [6]. Trong đó, khi NH3 chiêm tới 65% thanh phần khi thai trong chuồng nuôi [7]. Do đó, chuồng trai luôn phai đam bao thông thoáng bằng cách sử dụng hê ̣thông loc không khi. Trong sự phát triên của các giai pháp ưng dụng công nghê ̣thông tin mới, quá trinh tự động hóa một phần nền nông nghiêp̣ la một hướng đi đúng đăn với xu hướng toan cầu hóa. Học viên: Nguyễn Huy Hoan 9 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN KHÍ Các”thiết bị đo khí sử dụng phân tích phổ có độ chính xác rất cao nhưng lại cồng kềnh, phức tạp, thường chỉ phù hợp cho việc sử dụng trong phòng thí nghiệm. Để có được các thiết bị gọn nhẹ, đơn giản cho các ứng dụng ngoài hiện trường hoặc xách tay và dựa vào 3 tiêu chí cơ bản là: đơn giản, ổn định, chi phí bảo trì thấp thì các phương pháp đo thông dụng nhất được trình bày sau đây thường được ứng dụng rộng rãi trong”thực tế. 2.1. Phương pháp đo nồng độ khí 2.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2] a. Nguyên lý chung Cảm biến”dạng đốt xúc tác được sử dụng để đo nồng độ của thành phần khí có khả năng cháy. Phần tử chính của cảm biến gồm một cuộn dây được bọc bởi lớp vật liệu thủy tinh hoặc gốm, và tiếp theo nó lại tiếp tục được phủ một lớp chất xúc tác. Cuộn dây được đốt nóng bằng dòng điện dẫn qua làm cháy khí cần đo (ví dụ như hydrocarbon CHC - Conbustible HydroCarbon) xung quanh nó. Khí cần đo khí cháy sẽ sinh ra nhiệt lượng tỉ lệ với nồng độ của khí, nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của cuộn dây và điện trở của nó cũng tăng lên tỷ lệ. Sự thay đổi điện trở này được đo bởi mạch điện, nó chính là nguồn tín hiệu đo nồng độ khí mong muốn. Đây là phương pháp đo khá thông dụng nhất để phát hiện các khí dễ cháy như CHC. Ưu điểm của cảm biến loại này là nhỏ gọn, tín hiệu được tạo ra trực tiếp từ việc khí bị đốt và đây cũng chính là thuộc tính của khí mà cảm biến đo được (khí cháy). Cảm biến loại này có giá thành thấp, ổn định và dễ hiệu chỉnh, bảo trì. Nhược điểm là sự suy giảm độ nhạy của cảm biến sau nhiều lần sử dụng nên cần phải thường xuyên hiệu chỉnh lại. Khi xảy ra các phản ứng cháy, môi trường đo dễ bị nhiễm độc. Ví dụ như: Nếu trong hỗn hợp đốt có silicone (dù là lượng rất nhỏ) hay halocarbon. Nếu không có biện pháp ngăn chặn hữu hiệu sẽ gây nguy hiểm cho người sử dụng. Một số cảm biến có thể bị hỏng hoàn toàn khi hoạt động liên tục ở môi trường có nồng độ khí cháy”cao. b. Cấu trúc của cảm biến Cảm biến đốt xúc