Việc ứng dụng công nghệ ủ kị khí để thu khí sinh học Biogas đã góp phần làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do hoạt động chăn nuôi heo, nhưng chưa xử lý triệt để một số thành phần ô nhiễm
TÍNH C ẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, chăn nuôi heo ở quy mô công nghiệp và hộ gia đình đóng vai trò quan trọng trong nền nông nghiệp chăn nuôi gia súc, giúp tăng thu nhập cho nông dân và giải quyết nhiều công việc cho lao động phổ thông Tuy nhiên, hoạt động này đi kèm với nhiều thách thức môi trường nghiêm trọng như mùi hôi, chất thải rắn và nước thải Việc ứng dụng công nghệ ủ kị khí để sản xuất biogas đã góp phần làm giảm ô nhiễm từ chăn nuôi heo, nhưng một số thành phần ô nhiễm trong nước thải vẫn chưa được xử lý triệt để, gây tác động nhất định tới môi trường.
Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng Nitrat gây thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin hay alkyl cacbonat tạo ra những nitrosamin gây ung thư Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat có trong sữa mẹ Sau khi vào cơ thể, nitrat chuyển hóa nhanh thành nitrit (NO2-), hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu và phản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxy hóa sắt để tạo thành huyết methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, gây hội chứng Baby-blue và có khả năng dẫn đến tử vong Nồng độ ammoniac trong nước nuôi cá phải nhỏ hơn 1,2 ppm.
NTCNH (nước thải chăn nuôi heo) là nguồn nước thải giàu nitơ, nitơ tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và việc xử lý để đạt được giá trị giới hạn gặp nhiều thách thức về mặt kỹ thuật và kinh tế Do thành phần nitơ đa dạng và biến động tải lượng, các công nghệ xử lý cần được kết hợp để tối ưu hiệu quả và chi phí vận hành, kết hợp giữa xử lý sinh học và xử lý hóa lý Việc kiểm soát nitơ trong NTCNH đòi hỏi các giải pháp đồng bộ nhằm xử lý các dạng như ammonium, nitrat và nitrite, từ đó đảm bảo tuân thủ quy định và bảo vệ môi trường Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tải lượng nitơ, điều kiện thời tiết và chu kỳ sản xuất của trang trại, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và tính khả thi kinh tế của dự án Việc quản lý nitơ trong NTCNH không chỉ bảo vệ môi trường mà còn giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và phát triển bền vững cho khu vực nông nghiệp.
Trong các hệ thống xử lý nước thải thông thường, chỉ số ô nhiễm được loại bỏ chủ yếu ở mức cơ bản như chất hữu cơ đo bằng COD và BOD; tuy nhiên, các thành phần này vẫn có thể gây độc cho sinh vật thủy sinh qua đường máu với nồng độ từ 0,2–0,5 ppm, gây độc cấp tính cho cá Vì vậy, để bảo vệ môi trường và hệ sinh thái nước, cần áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến hơn nhằm loại bỏ cả các chất ô nhiễm khó phân hủy và các hợp chất độc hại khác ngoài COD/BOD.
Do đặc tính nước thải chăn nuôi heo chứa hàm lượng nitơ cao, quá trình xử lý gặp nhiều khó khăn và chi phí lớn, đòi hỏi trải qua nhiều giai đoạn với các yêu cầu phức tạp Hiện nay, các giải pháp xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi heo thường kết hợp công trình tự nhiên và nhân tạo, như hồ thủy sinh vật và hệ thống tưới trên cánh đồng, nhằm giảm nitơ một cách hiệu quả Tuy nhiên, các công trình này đòi hỏi diện tích mặt bằng rộng và thời gian lưu nước kéo dài, dẫn đến thách thức về quy mô và vận hành trong thực tế.
Trong nước thải, các chất lơ lửng và vi sinh vật như Coliform và E coli cho thấy thách thức về vệ sinh nước Hiệu quả loại bỏ nitơ hiện tại chỉ ở mức nhỏ, vì vậy cần một biện pháp xử lý ở cấp độ cao để loại bỏ nguồn chất dinh dưỡng này trước khi thải vào nguồn tiếp nhận Các công nghệ xử lý truyền thống chủ yếu dựa trên sự kết hợp của hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nitơ và bảo vệ chất lượng nước thải.
Việc ứng dụng công nghệ SHARON – Anammox, kết hợp hai nhóm vi sinh tự dưỡng Nitrosomonas và Anammox trong xử lý NTCNH, sẽ khắc phục những nhược điểm của các công nghệ hiện tại về diện tích và tiêu thụ năng lượng, đồng thời duy trì hiệu quả xử lý ở mức tương đương Nhờ tối ưu hóa diện tích và tiết kiệm năng lượng, hệ thống SHARON – Anammox mang lại lợi ích kinh tế đáng kể và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu xử lý nitơ tổng, giúp tối ưu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.
Những kết quả nghiên cứu công nghệ Anammox ở qui mô phòng thí nghiệm và các ứng dụng thực tế ở nước ngoài cho thấy công nghệ này có những ưu điểm vượt trội so với công nghệ xử lý nitơ truyền thống Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả loại bỏ nitơ cao và sự ổn định hoạt động dưới nhiều điều kiện nước thải khác nhau Ứng dụng thực tế ở nước ngoài chứng minh lợi thế của Anammox về tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và giảm nhu cầu bổ sung chất hữu cơ so với các phương pháp xử lý nitơ truyền thống Những bằng chứng này cho thấy tiềm năng triển khai rộng rãi công nghệ Anammox trong các hệ thống xử lý nước thải hiện đại.
- Khả năng chuyển hóa nitơ cao.
- Giảm 50% yêu cầu mặt bằng. trên 90% so với công nghệ nitrat hóa - khử nitrat truyền thống.
- Giảm 60% nhu cầu năng lượng tiêu thụ.
- Giảm 100% nguồn cacbon hữu cơ cần cung cấp trong quá trình vận hành.
- Quá trình tạo ra ít bùn.
Việc ứng dụng thành công công nghệ SHARON–Anammox sẽ mở ra một hướng đi mới trong xử lý nitơ cho nước thải chứa nitơ (NTCNH) nói riêng và các loại nước thải giàu nitơ nói chung, đóng góp vào bảo vệ môi trường và hướng tới sự phát triển bền vững Công nghệ này kết hợp tối ưu quá trình tiền xử lý nitơ và loại bỏ nitơ qua hệ thống Anammox, giúp giảm tiêu thụ năng lượng, giảm chi phí vận hành và giảm phát thải nitơ ra môi trường Nhờ SHARON–Anammox, NTCNH và các nguồn nước thải chứa nitơ có thể được xử lý hiệu quả hơn, nâng cao hiệu suất xử lý nitơ và thúc đẩy quản lý nước thải bền vững.
M ỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi heo khi áp dụng công nghệ SHARON – Anammox, nhằm tối ưu quá trình loại bỏ nitơ và giảm ô nhiễm môi trường Thực nghiệm cho thấy hệ thống SHARON – Anammox có khả năng loại bỏ nitơ ở mức cao, giảm nồng độ nitơ trong nước thải và tiết kiệm năng lượng so với các công nghệ xử lý truyền thống Việc triển khai công nghệ này góp phần giảm ô nhiễm nước và đất, bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua một giải pháp xử lý nitơ bền vững và thân thiện với môi trường.
PH ẠM VI NGHIÊN CỨU
- Mô hình SHARON – Anammox trong phòng thí nghiệm.
- Các chỉ tiêu quan tâm: COD, N-NO 2 , N-NO 3 , N- NH 4 , P, pH, K p , K T
- Địa điểm: Phòng Công nghệ Biến đổi Sinh học – VSHNĐ.
N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để xây dựng nền tảng khoa học cho xử lý nước thải từ chăn nuôi heo, bài viết tiến hành thu thập và tổng quan hệ thống các tài liệu liên quan đến nước thải chăn nuôi heo, vai trò của vi khuẩn Nitrosomonas và nhóm vi khuẩn Anammox và các quá trình ứng dụng của hai nhóm vi khuẩn này trong xử lý nước thải Phân tích các nghiên cứu cho thấy Nitrosomonas tham gia quá trình oxi hóa amoni thành nitrit, trong khi Anammox chuyển nitrit và amoni thành khí nitrogen, từ đó hình thành các công nghệ xử lý sinh học như kết hợp nitrit hóa và Anammox (PN/A) để tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải Bài tổng quan cũng rà soát điều kiện vận hành thiết yếu như pH, nhiệt độ, nồng độ chất ô nhiễm và lưu lượng nước thải, đồng thời đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp và đề xuất hướng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ dựa trên Nitrosomonas và Anammox.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm SHARON – Anammox
- Vận hành và theo dõi hiệu quả xử lý thông qua việc phân tích các chỉ tiêu: COD, N-NO 2 , N-NO 3 , N- NH 4 , P, pH, K p , K T
- Xử lý số liệu và trình bày kết quả nghiên cứu.
PH ƯƠ NG PHÁP NGHIÊN C ỨU
Để nghiên cứu những nội dung trên, các phương pháp được áp dụng là:
Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Trên cơ sở định hướng nghiên cứu của đề tài, tiến hành thu thập và tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài, bao gồm:
- Tình hình xử lý nước thải chăn nuôi heo.
- Đặc điểm của hai nhóm vi sinh vật Nitrosomonas và Anammox
- Tình hình ứng dụng công nghệ Anammox ở Việt Nam và trên thế giới. nhằm tổng quan tài liệu, tạo cơ sở lý thuyết cho đề tài nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm trên mô hình SHARON – Anammox
Sau khi xây dựng mô hình theo công nghệ nghiên cứu, bắt đầu vận hành và triển khai quá trình theo dõi liên tục để đánh giá hiệu suất Trong quá trình vận hành, chúng ta điều chỉnh hợp lý một số tham số như lưu lượng và oxy hòa tan để tối ưu hóa hiệu quả vận hành của mô hình và đạt được kết quả mong muốn.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Trong quá trình vận hành mô hình, hằng ngày lấy mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình để phân tích các chỉ tiêu quan tâm.
Phương pháp xử lý số liệu
Những kết quả thu được từ quá trình phân tích sẽ phản ánh rõ hiệu quả xử lý và tình hình hoạt động của vi sinh vật trong mô hình nghiên cứu Các số liệu này được tổng hợp, thống kê và phân tích một cách hệ thống, sau đó xử lý bằng phần mềm Excel để đảm bảo độ chính xác và thuận tiện cho so sánh giữa các điều kiện thí nghiệm.
Từ kết quả đạt được của mô hình nghiên cứu, tiến hành so sánh với những nghiên cứu khác đã thực hiện và đưa ra nhận xét liên quan.
Ý NGH ĨA CỦA ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ SHARON – Anammox để xử lý nitơ trong nước thải giàu nitơ mở ra các hướng nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ Anammox khác phù hợp với điều kiện cụ thể ở Việt Nam Ứng dụng công nghệ SHARON – Anammox có thể giảm chi phí xử lý nitơ lên tới 4 lần so với công nghệ xử lý truyền thống, đồng thời mang ý nghĩa lớn về mặt môi trường Giá thể sử dụng trong đề tài là ống hút tái sử dụng, góp phần tiết kiệm chi phí xử lý chất thải rắn và tăng tính bền vững của hệ thống xử lý nước thải.
TÌNH HÌNH CH ĂN NUÔI HEO HIỆN NAY Ở NƯỚ C TA
Vai trò c ủ a ngành chă n nuôi trong n ền kinh t ế qu ốc dân
Ở nước ta, chăn nuôi giữ vai trò quan trọng trong nông nghiệp và gắn liền với đời sống của người dân, đáp ứng nhu cầu ăn uống và mặc của mọi người Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, quy mô chăn nuôi được mở rộng từ hộ gia đình lên các cơ sở chăn nuôi tập trung quy mô lớn, cho thấy tầm quan trọng ngày càng tăng của ngành này Vai trò của chăn nuôi thể hiện ở việc cung cấp thực phẩm cho xã hội, tạo công ăn việc làm, đóng góp vào tăng trưởng kinh tế và đảm bảo an ninh lương thực, đồng thời hỗ trợ nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp may mặc và đời sống hàng ngày.
Chăn nuôi là nguồn cung cấp thực phẩm dinh dưỡng cao (thịt, trứng, sữa) cho đời sống con người
Khi kinh tế ngày càng phát triển, mức sống của con người ngày càng được nâng cao
Trong bối cảnh nền kinh tế hiện nay và nhịp độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng tăng, nhu cầu thực phẩm từ động vật ngày càng chiếm tỷ lệ lớn trong bữa ăn hàng ngày của người dân Chăn nuôi được xem là giải pháp đáp ứng nhanh và bền vững cho yêu cầu này Một con heo nái đẻ trung bình hai lứa mỗi năm, mỗi lứa có khoảng 10 con cai sữa; nuôi lấy thịt sau 6 tháng sẽ cho khoảng 2000 kg thịt heo Các sản phẩm chăn nuôi có giá trị dinh dưỡng cao, hàm lượng protein lớn và giá trị sinh học của protein còn vượt trội so với các nguồn protein từ thực phẩm thực vật Do đó, thực phẩm từ chăn nuôi luôn có vai trò quan trọng đối với dinh dưỡng của con người.
Chăn nuôi là nguồn cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp
Nguyên liệu từ chăn nuôi là nguồn cung cấp thiết yếu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và ngành tiêu dùng Thịt và sữa là hai sản phẩm đầu vào quan trọng nhất cho các quá trình sản xuất và chế biến thực phẩm.
Chăn nuôi là nguồn cung cấp sức kéo
Chăn nuôi là nguồn lực kéo quan trọng cho canh tác và khai thác lâm sản, đồng thời hỗ trợ di chuyển và vận chuyển hàng hóa trên các vùng núi cao, đặc biệt ở những địa hình hiểm trở với nhiều dốc Việc quản lý và phát triển chăn nuôi hợp lý góp phần tăng năng suất nông nghiệp, thúc đẩy hoạt động lâm sản bền vững và cải thiện đời sống người dân sống ở vùng cao.
Chăn nuôi là nguồn cung cấp phân bón cho trồng trọt.
Trong nông nghiệp hướng tới canh tác bền vững, phân bón hữu cơ từ chăn nuôi đóng vai trò thiết yếu Phân chuồng có tỉ lệ NPK cao và cân đối giúp cải tạo đất trồng, nâng cao độ phì nhiêu và khả năng giữ nước, từ đó tăng năng suất cây trồng Việc tận dụng phân hữu cơ còn giảm sự phụ thuộc vào phân hóa học, bảo vệ môi trường và đóng góp vào chu trình dinh dưỡng đất đai Đầu tư vào phân hữu cơ chất lượng cao mang lại lợi ích lâu dài cho đất trồng, cải thiện cấu trúc đất và tối ưu hóa hiệu quả canh tác bền vững.
Hình 2.1 Trại heo công nghiệp
Bảng 2.1 Thành phần và số lượng phân nguyên chất của một số loài vật nuôi
Sản lượng phân cả năm (kg)
(*) Trâu, bò chỉ tính lượng phân nhận được trong chuồng
Heo tính cho một đời heo thịt
Chăn nuôi là một mắt xích quan trọng trong chuỗi sản xuất nông nghiệp bền vững, vừa tạo việc làm và tăng thu nhập cho nông hộ, vừa góp phần xóa đói giảm nghèo Để đạt được nền nông nghiệp bền vững và mục tiêu xóa đói giảm nghèo, chăn nuôi luôn giữ vai trò then chốt nhờ thời gian thu hoạch nhanh và khả năng sinh sản cao của đàn vật nuôi Với heo thịt cho lứa nhanh và gà thịt cho chu kỳ nuôi ngắn, chăn nuôi mang lại nguồn cung thực phẩm ổn định và hiệu quả kinh tế cho người nông dân.
12 con/lứa, 2 lứa/năm; gà đẻ cho 280–300 quả trứng/năm, thông qua việc tận dụng các phụ phẩm từ trồng trọt, chế biến có giá trị dinh dưỡng thấp để tạo ra những sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao như thịt, trứng, sữa Do đó, các đối tượng vật nuôi là mục tiêu phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu quay vòng vốn vay, xóa đói, giảm nghèo Chăn nuôi sử dụng phụ phẩm từ trồng trọt và thủy sản để hình thành hệ sinh thái nông nghiệp VAC (vườn, ao, chuồng), VACB (vườn, ao, chuồng, Biogas) hoặc VACR (vườn, ao, chuồng, rừng), mang lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường sống.
Tình hình ch ăn nuôi heo
heo là loài vật nuôi có khả năng tận dụng tốt phụ phẩm công-nông nghiệp, có khả năng sinh sản cao và quay vòng nhanh, cho phân bón nhiều và tốt Vì vậy, chăn nuôi heo đã trở thành nghề truyền thống của nông dân và là ngành chăn nuôi chủ yếu ở nước ta Heo được nuôi phổ biến ở tất cả các vùng sinh thái nông nghiệp; riêng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, đàn heo chiếm 37,5% đầu con và 48% sản lượng thịt heo của cả nước.
Heo vẫn là nguồn cung cấp thịt chính (77% tổng lượng thịt các loại), nhưng tiêu thụ trong nước là chủ yếu, mỗinăm chỉ xuất khẩu được 5000 – 10000 tấn thịt
Cơ cấu giống heo hiện đang nuôi chủ yếu vẫn là các giống heo nội Ở phía Bắc, đàn
Toàn quốc có gần 1,5 triệu con heo nái, trong đó nái Móng Cái chiếm 40–45%, nái lai 32–35%, các giống địa phương khác 10–15%, nái ngoại hoặc nái lai nhiều máu ngoại chỉ 1–2% Ở phía Nam có khoảng 0,73 triệu con heo nái, tỷ lệ cao thuộc về nái lai nhiều máu ngoại và Ba Xuyên, Thuộc Nhiêu chiếm 70–80%, nái ngoại chiếm 10–15%, còn lại là các giống địa phương khác.
Trong 5 năm qua (2001 – 2005), đàn heo cả nước có tốc độ tăng trưởng nhanh, tăng bình quân 6%/năm Trong đó, Đông Nam Bộ tăng 9,1%/năm, đồng bằn g sông Cửu Long tăng 7,1%/năm [7]
Ngành chăn nuôi heo vẫn tồn tại nhiều khó khăn như nuôi nhỏ lẻ, chất lượng con giống và kỹ thuật chăm sóc chưa đồng bộ, cùng với tình hình dịch bệnh phức tạp khiến nông dân thiếu vốn và đất đai để xây dựng trang trại chăn nuôi Đàn heo hiện chủ yếu được nuôi theo phương thức bán thâm canh trong nông hộ (90–95%), với quy mô nhỏ (3–5 con/hộ), trong khi số hộ nuôi ở quy mô lớn hơn (từ 6 con trở lên) chỉ chiếm khoảng 1,8%.
Một tỷ lệ nhỏ đàn h e o (5 – 10%) được nuôi trong các trang trại (200 - 300 con) theo phương thức thâm canh (công nghiệp)
Vào năm 2005, đàn heo nái cả nước đạt 3,88 triệu con, chiếm 14,2% tổng đàn heo; những nái này đã sản sinh 2,29 triệu tấn thịt heo hơi, chiếm tới 76% tổng sản lượng thịt các loại được sản xuất trong nước, và sản lượng thịt sản xuất trung bình đạt 589 kg cho mỗi con nái.
Ngay từ đầu năm đến nay, ngành chăn nuôi Việt Nam đối mặt với nhiều khó khăn như dịch bệnh, rét đậm, rét hại, lạm phát và lãi suất ngân hàng tăng, trong bối cảnh hội nhập WTO dẫn đến cạnh tranh gay gắt từ hàng nhập khẩu Theo Cục Chăn nuôi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), tổng đàn heo cả nước hiện khoảng 25,58 triệu con, giảm 3,1% so với cùng kỳ năm ngoái; đàn heo nái 3,76 triệu con, giảm 2,1%; đàn heo thịt 21,82 triệu con, giảm 3,3% Có 5/8 vùng sinh thái giảm đầu heo, trong đó Đồng bằng sông Cửu Long giảm 9,7%, Duyên hải Nam Trung Bộ giảm 8,9%, Bắc Trung Bộ giảm 5,6%, Tây Nguyên giảm 4,1% và Đồng bằng sông Hồng giảm 4%.
Trước tình trạng dịch bệnh và giá heo bấp bênh, việc định hướng lâu dài cho chăn nuôi heo là nền tảng để phát triển ngành chăn nuôi hướng đến bền vững và phục vụ xuất khẩu Hiện nay, Sở Nông nghiệp Bình Dương đang xây dựng chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm 2020 Đối với đàn heo, Sở đã định hướng và đề ra mục tiêu phát triển chăn nuôi heo theo hướng tập trung, khép kín, đồng thời phát triển công nghiệp và trang trại Xây dựng vùng chăn nuôi heo tập trung, đưa tỷ trọng chăn nuôi trong tổng giá trị sản xuất nông nghiệp lên 32% vào năm 2010 và 35% năm 2015, với tổng đàn heo 456.000 con và sản lượng thịt heo hơi 84.000 tấn Tuy nhiên, việc chuyển đổi sang phương thức chăn nuôi heo tập trung đang gặp khó khăn.
TP.HCM đối mặt với nhiều khó khăn trong lĩnh vực chăn nuôi, đặc biệt ở những khu vực chưa có quy hoạch cụ thể khu vực chăn nuôi tập trung, khiến việc di chuyển và bố trí cơ sở chăn nuôi đến vị trí phù hợp gặp khó khăn Tại thời điểm 1/8/2008, tổng đàn heo trên địa bàn đạt trên 300.000 con, bằng khoảng 77,7% so với cùng kỳ năm trước Thành phố đang triển khai chương trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông nghiệp dựa trên Nghị quyết Đại hội Đảng bộ thành phố lần thứ VIII (từ năm 2006) và các Quyết định số 97/2006/QĐ-UBND và 105/2006/QĐ-UBND nhằm định hình lại cơ cấu nông nghiệp và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Vào năm 2010, định hướng phát triển nông nghiệp đô thị năng suất cao được thực hiện thông qua hình thành nền sản xuất tập trung và chú trọng phát triển bền vững Mục tiêu là tăng tỉ trọng của ngành chăn nuôi trong nông nghiệp và tối ưu hoá quy mô sản xuất để nâng cao hiệu quả kinh tế Đồng thời, các trại chăn nuôi heo nằm trong khu dân cư được di dời ra các huyện ngoại thành như Bình Chánh và Củ Chi nhằm giảm ô nhiễm và cải thiện chất lượng môi trường sống Những biện pháp này hướng tới chuyển đổi sang mô hình nông nghiệp đô thị hiện đại, tăng năng suất và đảm bảo sự bền vững của hệ sinh thái nông thôn.
Chăn nuôi heo là một ngành kinh tế quan trọng trong sản xuất nông nghiệp, đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho người dân và là nguồn thu nhập của hàng triệu hộ nông dân hiện nay Tuy nhiên, phần lớn nông dân vẫn đối mặt với nhiều khó khăn khi phương thức chăn nuôi chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, thiếu kiến thức chuyên môn và thông tin thị trường còn ít được quan tâm Sự thiếu hụt kiến thức và thông tin cũng như chênh lệch kinh tế giữa các vùng là rào cản chính cho sự phát triển bền vững của ngành.
Chăn nuôi bền vững đòi hỏi song song hai yếu tố: cân bằng sinh thái và môi trường, cùng với sự ổn định về kinh tế và thu nhập Để thực hiện hiệu quả định hướng chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông nghiệp sang chăn nuôi bền vững, cần đặc biệt chú ý tới các vấn đề môi trường phát sinh từ hoạt động chăn nuôi nói chung và chăn nuôi heo nói riêng Những vấn đề này không chỉ giúp bảo vệ môi trường sống quanh ta mà còn tham gia phòng chống dịch bệnh, từ đó ổn định hoạt động sản xuất và chăn nuôi.
TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG TỪ HOẠT ĐỘNG CHĂN NUÔI HEO
Môi trường đất
Quá trình thu gom, vệ sinh chuồng trại và xử lý nước thải không hợp lý dẫn đến các sự cố như vỡ bờ bao hồ sinh học và chảy tràn ở bể chứa nước thải, khiến nước thải thâm nhập vào môi trường đất xung quanh và làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng đất cũng như sinh vật đang sinh sống ở đó Ở nhiều nơi, nước thải trực tiếp chảy tràn ra khu vực chăn nuôi và thấm tự nhiên vào đất, gây ô nhiễm đất và các hệ sinh thái lân cận Những rủi ro này cho thấy nhu cầu quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước thải một cách an toàn và hiệu quả để ngăn ngừa ô nhiễm đất và bảo vệ môi trường.
Lượng chất hữu cơ dư thừa trong nước thải thấm vào đất, gây hiện tượng bão hòa và quá bão hòa dinh dưỡng, dẫn tới mất cân bằng sinh thái và thoái hóa đất (phú dưỡng hóa đất) Hiện tượng rửa trôi đất bị phú dưỡng sẽ kéo theo các chất dinh dưỡng dư thừa ra sông, suối và thấm xuống nước ngầm, làm ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng tới hệ sinh thái cũng như chất lượng nước.
Ngoài thành phần dinh dưỡng, NTCNH còn chứa nhiều vi sinh vật và mầm bệnh, ấu trùng, trứng giun sán; những yếu tố này có thể tồn tại lâu trong đất và có khả năng gây bệnh cho gia súc và con người, do đó cần chú ý quản lý vệ sinh và đất đai để giảm nguy cơ lây nhiễm.
Môi trường không khí
Những yếu tố chính ảnh hưởng đến không khí từ hoạt động chăn nuôi heo là mùi hôi của phân và các khí sinh ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Tùy thuộc vào số lượng đàn heo, hình thức chăn nuôi ở hộ gia đình hay tập trung ở trang trại, cách thức thu gom xử lý chất thải mà mức độ ảnh hưởng sẽ khác nhau Các chất gây mùi hôi chủ yếu là ammoniac, diamin, mercaptan và mùi đặc trưng của gia súc.
Những mùi hôi này phát sinh từ: hệ thống chuồng trại, hệ thống thoát nước thải cục bộ, các bể xử lý, kho chứa thức ăn
Việc tách phân và nước thải, lưu giữ và tái sử dụng phân cho mục đích khác có thể gây tác động lớn đến môi trường nếu thực hiện không đúng quy trình Phân phải được lưu giữ tại trại có mái che, được che đậy kín để ngăn rò rỉ nước, hạn chế mùi hôi và sự xuất hiện của ruồi nhặng, côn trùng quanh khu vực Việc quản lý đúng quy trình giúp giảm thiểu ô nhiễm đất, nước và không khí, đồng thời bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.
Nước thải và phân chứa nhiều chất hữu cơ; trong điều kiện thiếu khí, chúng có khả năng phân hủy kị khí và sinh khí sinh học Việc thu hồi và tận dụng khí sinh học từ quá trình này biến chất hữu cơ thành nguồn năng lượng, đồng thời ngăn chặn phát thải khí nhà kính như CO2 và CH4 vào môi trường Hệ thống xử lý có biogas không chỉ giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước thải và phân mà còn cung cấp nguồn nhiên liệu tái sinh Đầu tư vào công nghệ phân hủy kị khí và thu hồi khí sinh học là một giải pháp bền vững, mang lại lợi ích môi trường và tối ưu chi phí năng lượng.
Một số trại nuôi heo vẫn không chú trọng đúng mức đến tiêu thoát nước thải, khiến hệ thống thoát nước cục bộ không đảm bảo và nước thải chăn nuôi không thoát được, ứ đọng ở nhiều khu vực gây mùi hôi và ô nhiễm môi trường không khí Nguồn nước phân kết hợp với thức ăn chăn nuôi để lâu ngày phát sinh mùi hôi thối nồng nặc, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và chất lượng sống xung quanh trại Đặc biệt, vào mùa mưa, tình trạng ứ đọng nước thải trở nên nghiêm trọng hơn, làm tăng mùi khó chịu và ô nhiễm môi trường.
) ra môi trường. nước không tự thấm kịp, ứ đọng, các chất bẩn tích tụ, lên men gây mùi hôi (H2S,
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo đảm sức khỏe con người, chuồng nuôi heo cần thoáng khí và được bố trí hợp lý theo hướng gió Việc thông gió hiệu quả giúp kiểm soát mùi và khí độc, đồng thời hạn chế tác động tiêu cực ra môi trường xung quanh Chuồng trại nên được vệ sinh định kỳ, đảm bảo điều kiện sạch sẽ và an toàn cho đàn heo Cần có khu lưu giữ phân và kế hoạch sử dụng phân bón hợp lý nhằm tận dụng nguồn dinh dưỡng từ phân, giảm thất thoát chất thải và bảo vệ đất đai, nước Thiết kế và quản lý chuồng nuôi heo theo các nguyên tắc này giúp giảm thiểu rủi ro cho sức khỏe và môi trường cộng đồng.
…) ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe gia súc và cộng đồng.
Môi trường nước
NTCNH chứa nhiều chất hữu cơ, chất lơ lửng, giàu nitơ, photpho và sinh vật gây bệnh
Nếu không được thu gom và xử lý hiệu quả, nước thải chăn nuôi heo (NTCNH) sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường lớn nhất trong số các chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi Nước thải này làm gia tăng hàm lượng dinh dưỡng nitơ và photpho trong nước, tạo điều kiện cho tảo và các thực vật thủy sinh phát triển nhanh và hình thành mật độ sống cao Sự bùng nổ tảo và thực vật thủy sinh dẫn đến thay đổi lớn về pH và lượng oxy hòa tan trong thủy vực giữa ban ngày và ban đêm do quá trình quang hợp và hô hấp diễn ra liên tục.
Việc NTCNH chưa được xử lý đúng quy định trước khi xả thải vào nguồn nước tiếp nhận có thể gây hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, làm giảm chất lượng nước và ảnh hưởng đến mục đích sử dụng nước cũng như tới cảnh quan môi trường xung quanh Việc tuân thủ quy định xử lý nước thải là yếu tố then chốt giúp ngăn ngừa phú dưỡng, bảo vệ nguồn nước cho sinh hoạt và sản xuất, đồng thời duy trì sự cân bằng sinh thái và cảnh quan khu vực.
Hiện tượng phú dưỡng là khái niệm chỉ nguồn nước nơi diễn ra sự phát triển ồ ạt của thủy thực vật, trước tiên là các loài vi tảo, do nước chứa nhiều chất dinh dưỡng cho thực vật như đạm và lân Trong giai đoạn tảo phát triển, nguồn nước trở nên giàu oxy và có pH cao nhờ quá trình quang hợp áp đảo quá trình hô hấp của thực vật, và ngược lại khi tảo chết và phân hủy, oxy sẽ bị cạn kiệt, pH thường thấp và nước bị ô nhiễm bởi các chất từ quá trình phân hủy kị khí có tính khử cao, độc và có mùi hôi Sự thay đổi quá lớn của các yếu tố oxy hòa tan (khoảng 1–20 mg/l) và pH (khoảng 5,5–10,5) trong thời gian chu kỳ ngày đêm kéo theo sự đảo lộn về thói quen sinh hoạt của thủy động vật.
Trong môi trường phú dưỡng, sự biến động liên tục và mạnh mẽ của điều kiện sống là tác nhân gây khó khăn cho các sinh vật nước, thậm chí khiến nhiều loài thủy động vật không thể tồn tại.
Dù NTCNH gây ô nhiễm môi trường, hầu hết các cơ sở chăn nuôi lớn nhỏ hiện nay vẫn thiếu hệ thống xử lý chất thải đạt chuẩn; nếu có thì hoạt động không thường xuyên và hiệu quả xử lý thấp Nguyên nhân một phần nằm ở nhận thức của các nhà quản lý tại các xí nghiệp chăn nuôi, chưa coi việc xử lý chất thải là một phần của quá trình sản xuất Bên cạnh đó, chăn nuôi là một hoạt động có lợi nhuận, nên việc ưu tiên đầu tư cho hệ thống xử lý chất thải chưa được xem xét đầy đủ ở nhiều nơi.
Hình 2.2 Hồ bị phú dưỡng hóa
Chăn nuôi heo ở nhiều nơi vẫn còn quy mô nhỏ, cơ sở trang trại chưa ổn định và chưa có công nghệ xử lý nước thải phù hợp Hoạt động này thải ra lượng nước thải giàu dinh dưỡng, mùi hôi và phân động vật với tác động tiêu cực lên đất, nước và không khí quanh khu vực nuôi, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe của người chăn nuôi Đặc biệt khi trang trại nằm trong khu dân cư hoặc hộ gia đình chăn nuôi nhỏ lẻ, các tác động môi trường sẽ càng lớn do kiểm soát chất thải chưa chặt chẽ và các vấn đề môi trường chưa được người chăn nuôi chú ý đầy đủ Ở nước ta, khía cạnh môi trường của ngành chăn nuôi heo mới được quan tâm trong vài năm trở lại đây khi tốc độ phát triển ngành gia tăng, kèm theo ô nhiễm khu vực dân cư và các khiếu nại liên quan đến môi trường Muốn phát triển chăn nuôi heo bền vững và có sản phẩm tốt trong thời kỳ hội nhập, trước hết phải chú trọng đến môi trường sạch, sau đó mới áp dụng quy trình chăn nuôi đạt chuẩn để mang lại hiệu quả cao.
ĐẶC ĐIỂM CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
Việc tắm rửa, vệ sinh và dọn dẹp chuồng trại bằng nước được sử dụng phổ biến đã tạo ra một lượng nước thải lớn chứa phân, nước tiểu và nước vệ sinh chuồng trại Đặc trưng ô nhiễm của nước thải chăn nuôi heo là ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) và chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo dao động đáng kể tùy thuộc vào lượng nước dùng để vệ sinh chuồng trại, phương thức thu gom phân trước khi tắm heo và quy mô của cơ sở chăn nuôi.
• Các chất hữu cơ và vô cơ
Những chất hữu cơ chưa được gia súc hấp thu sẽ bài tiết ra ngoài theo phân, nước tiểu và các sản phẩm trao đổi chất khác; thức ăn dư thừa cũng là nguồn gây ô nhiễm hữu cơ cho môi trường chuồng trại và nguồn nước.
Trong nước thải chăn nuôi heo, các hợp chất hữu cơ chiếm khoảng 70–80% tổng lượng chất hữu cơ có trong nước Chúng gồm protit, axit amin, chất béo, cacbonhydrat và các dẫn xuất của chúng, hầu hết là những hợp chất dễ phân hủy, ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải và môi trường.
Các chất vô cơ chiếm 20 – 30% gồm: cát, đất, các loại muối (ure, ammonium, clorua )
Trong phân và nước thải, các hợp chất hóa học dễ bị phân hủy nhanh chóng Quá trình phân hủy này phụ thuộc vào điều kiện hiếu khí hay kị khí, và các sản phẩm tạo thành sẽ khác nhau: ở điều kiện hiếu khí có oxy, sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O, NO2 và NO3; ở điều kiện kị khí, sản phẩm hình thành gồm CH4, N2 và NH3.
H 2 S…Các chất khí sinh ra do quá trình phân hủy kị khí và thiếu khí như NH3,
S…gây ra mùi hôi thối trong khu vực nuôi ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí
Khả năng hấp thụ nitơ và photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên khi ăn thức ăn chứa nitơ và photpho, các chất này được bài tiết ra ngoài qua phân và nước tiểu Nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng nitơ và photpho rất cao Hàm lượng nitơ tổng trong nước thải của trại chăn nuôi heo sau khi qua bể Biogas đạt 571–594 mg/L, photpho từ 13–62 mg/L Nitơ được bài tiết ra ngoài dưới dạng ure, sau đó ure bị thủy phân tạo thành cacbonat amon và sản phẩm này nhanh chóng chuyển hoá thành ammoniac.
Khi nước tiểu và phân bài tiết ra ngoài, vi sinh vật sẽ tiết ra enzyme ureaza chuyển hóa ure thành NH 3 , NH 3
Nồng độ NH phát tán vào không khí gây mùi hôi hoặc khuyếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước.
- Lượng ure trong nước tiểu trong nước thải phụ thuộc vào:
- pH của nước thải: khi pH tăng, NH4 + sẽ chuyển thành NH3 Ngược lại, khi pH giảm, NH3 chuyển thành NH4 +: NH 3 + H 2 O ←→ NH 4 + + OH
Nước thải chăn nuôi heo chứa hàm lượng lớn nitơ và photpho, có thể gây phú dưỡng nguồn nước tiếp nhận và ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước cũng như hệ sinh vật thủy sinh Sau khi qua bể Biogas, hàm lượng nitơ trong nước thải còn lại khá cao, khoảng 304–471 mg/L, chiếm 75–85% tổng nitơ và cho thấy phần lớn nitơ vẫn tồn tại sau xử lý, đòi hỏi các biện pháp xử lý bổ sung để giảm thiểu tác động môi trường.
• Vi sinh vật gây bệnh
Nước thải chăn nuôi heo chứa nhiều loại vi trùng và trứng ấu trùng, giun sán gây bệnh
Loại nước thải này tiềm ẩn nguy cơ trở thành nguồn gây dịch trực tiếp cho đàn gia súc và gia cầm, đồng thời có thể lây lan một số bệnh cho con người nếu không được xử lý đúng cách Vì thế, quản lý nước thải nông nghiệp và áp dụng các biện pháp xử lý hiệu quả là yếu tố then chốt để giảm thiểu nguy cơ lây bệnh, bảo vệ sức khỏe của vật nuôi và người, cũng như đảm bảo an toàn thực phẩm.
Theo nghiên cứu của Nanxera đối với nước thải chăn nuôi: vi trùng gây bệnh đóng dấu (Erisipelothris Insidiosa) có thể tồn tại 92 ngày, Brucella từ 74 – 108 ngày,
Samolnella từ 6 – 7 tháng, Leptospira 5 – 6 tháng, Microbacteria tuberculosis 75 –
Virus lở mồm long móng (FMD) sống trong nước thải 100–120 ngày; các loại vi trùng có nha bào như Bacillus Tetani có thể tồn tại 3–4 năm Nước thải chăn nuôi chứa nhiều trứng giun sán điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciolopsis buski, Ascaris suum, Oesophagostomum sp., Trichocephalus dentatus; chúng có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6–28 ngày và tồn tại 5–6 tháng.
Theo nghiên cứu của A Kigirop (1982), các loại vi khuẩn gây bệnh như Salmonella, Escherichia coli (E coli) và Bacillus anthracis có thể xâm nhập vào mạch nước ngầm Salmonella có thể thấm sâu xuống lớp đất bề mặt ở độ sâu khoảng 30–40 cm, đặc biệt tại những nơi thường xuyên tiếp nhận nước thải.
Trứng giun sán, vi trùng có thể lan truyền đi rất xa và nhanh khi bị nhiễm vào nước mặt gây dịch bệnh cho người và gia súc.
Bảng 2.2 Đặc tính của nước thải sau UASB tại xí nghiệp nuôi heo giống Đông Á, Dĩ
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị* pH 7,2 – 8,5
(*)Kết quả phân tích tại PTN Viện Sinh học Nhiệt đới TP HCM
Bảng 2.3 Chất lượng nước thải sau quá trình Biogas ở trại chăn nuôi heo Xuân Thọ
III, Xuân Lộc, Đồng Nai
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị* pH 7,2 – 8,1
(*)Kết quả đo tại PTN Khoa Môi Trường, trường Đại học Bách Khoa TpHCM.
TÌNH HÌNH X Ử LÝ NTCNH
Tình hình x ử lý NTCNH ở nước ta
Hiện nay, xử lý ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi heo đang được ứng dụng bằng nhiều công nghệ khác nhau, từ công nghệ sinh học đến công nghệ hóa học và quản lý chất thải sinh thái Tùy đặc điểm của từng vùng, từng mô hình chăn nuôi và điều kiện quản lý, người chăn nuôi chọn các biện pháp xử lý NTCNH phát sinh sao cho phù hợp và bền vững Có hai hướng xử lý NTCNH tương ứng với quy mô nhỏ lẻ và quy mô trang trại, với các giải pháp được điều chỉnh cho từng loại hình để tối ưu hiệu quả và giảm thiểu tác động lên môi trường.
2.4.1.1 Đối với qui mô nhỏ lẻ
Trong chăn nuôi heo ở quy mô nhỏ và hộ gia đình, khi số lượng heo ít ( 0,6 mg/l, hoạt động oxy hóa ammonium của vi khuẩn
Quá trình nitrit hóa của Nitrosomonas diễn ra bình thường và hiệu quả khi vi khuẩn oxy hóa ammonium thành nitrit được nuôi dưỡng trong điều kiện sống tối ưu Để đạt hiệu quả cao, cần duy trì các yếu tố như pH phù hợp, nhiệt độ thích hợp, nồng độ oxy hòa tan (DO) đủ, nồng độ ammonium ở mức cân đối và tỉ lệ BOD5 hợp lý Những điều kiện này giúp Nitrosomonas phát triển ổn định, đảm bảo quá trình nitrit hóa diễn ra nhanh chóng và liên tục.
Các y ếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas
/TNK, các hợp chất ức chế khác (kim loại nặng, phenol, dầu mỡ ).
Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của sinh vật, nhiệt độ càng tăng thì tốc độ sinh trưởng càng tăng Ở nhiệt độ trên 25 0
Biên độ dao động nhiệt và tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn Nitrosomonas:
C vi khuẩn AOB có thể cạnh tranh với vi khuẩn NOB.
- Nhiệt độ tối ưu cho quá trình phát triển: 25 – 35 0
- Tốc độ tăng trưởng giảm 50% khi nhiệt độ giảm xuống còn 18
- Tốc độ tăng trưởng giảm 75% khi nhiệt độ giảm xuống còn 8 – 10
Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas
Trong quá trình xử lý sinh học, pH là yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất đến đời sống và hoạt động của sinh vật pH tác động tới hoạt động của các enzyme xúc tác, làm thay đổi ái lực giữa enzyme và cơ chất, từ đó điều chỉnh tốc độ phản ứng và hiệu quả xử lý chất hữu cơ Vi sinh vật và enzyme có phạm vi pH tối ưu riêng; khi pH lệch quá mức sẽ làm giảm khả năng sinh trưởng và hiệu suất phân hủy Vì vậy, việc kiểm soát và duy trì pH ở mức phù hợp không chỉ tối ưu hóa hoạt động sinh học mà còn nâng cao hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm trong các hệ thống xử lý nước thải và chất thải hữu cơ.
- pH < 7, sinh vật sẽ chậm phát triển
- Tốc độtăng trưởng của vi khuẩn Ntrosomonas bị ức chế ở pH = 6,5 Quá trình bị ức chế khi pH < 6 hoặc thấp hơn
Hình 3.3 Ảnh hưởng của pH đến hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas
Nitrosomonas là vi khuẩn hiếu khí do vậy DO rất cần thiết để AOB phát triển Khi DO
< 2 mg/l, quá trình nitrat hóa khó xảy ra, hoạt động của AOB vượt trội hơn NOB
3.1.5.4 Chất vi lượng, kim loại nặng
Các chất vi lượng rất cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật
Các kim loại nặng ức chế hoạt động của vi sinh vật Khi tế bào tiếp xúc với 1 M CdCl2, 6 M HgCl2 và 8 M CuCl2, mức oxy hóa ammonium giảm xuống 90%.
T ỔNG QUAN VỀ NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX
Hóa sinh h ọc của vi khuẩn Anammox
Phản ứng Anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa ammonium bởi nitrit, phản ứng hóa học đơn giản với tỷ lệ mol NH4 +
Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR) và có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng Anammox được xác định với các hệ số tỷ lượng theo Strous et al (1999) Tỷ lệ NO2- và NH4+ được xem xét ở mức 1:1 và các hệ số liên quan được áp dụng để mô tả chính xác cơ chế chuyển nitơ trong hệ thống, từ đó xác định sản phẩm cuối cùng là N2 và đánh giá động lực tăng trưởng sinh khối trong quá trình nuôi cấy.
Sự tạo thành lượng nhỏ nitrat từ nitrit được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2
Hiện nay cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng Anammox vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn Tuy nhiên, nhờ phương pháp đồng vị đánh dấu (15N), các cơ chế sinh hóa của vi khuẩn Anammox đã được đề nghị và thừa nhận như nền tảng cho hiểu biết hiện tại về quá trình nitơ.
Vi khuẩn Anammox khử nitrit (NO2 -
) thành hydroxylamine (NH 2 OH) Tiếp đến, hydroxylamine và ammonium (NH 4 - ) được cô đặc thành hydrazin (N2H 4 ) và nước
Cuối cùng, hydrazin bị oxy hóa thành khí dinitrogen (N2) và những electron được sử dụng để khử phân tử nitrit tiếp theo
Trong quá trình chuyển hóa trên có sự tham gia của một số enzyme với vai trò riêng biệt:
NR: Enzyme khử nitrit tạo ra hydroxylamin
HH: Enzyme hydrazine hydrolase, xúc tác phản ứng tạo ra hydrazine.
HZO: Enzyme oxy hóa hydrazine
Các phản ứng giữa a mmonium
Vi sinh h ọc của vi khuẩn Anammox
với hydroxylamin và oxy hóa hydrazine được thực hiện trong thể Anammoxosome, nằm trong tế bào chất, bao quanh nhờ lớp màng lipit
Định danh và phân loại vi khuẩn Anammox Đến nay, đã có 3 chi vi khuẩn Anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua
Hình 3.5 Cơ chế sinh h óa của quá trình Anammox
Về mặt phân loại, các vi khuẩn Anammox là những thành viên mới, tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetales.
Một nhóm các nhà nghiên cứu Hà Lan đã phát hiện một số vi khuẩn có khả năng chuyển hóa ammoniac thành nitơ Vi khuẩn Kuenenia stuttgartiensis được xem là nguyên mẫu của nhóm vi khuẩn Anammox, có khả năng oxy hóa ammoniac thành nitơ.
Việc giải mã gien của vi khuẩn K stuttgartiensis cho phép nhận diện các gen tham gia quá trình oxy hóa Anammox và làm sáng tỏ khả năng chuyển hóa của nhóm vi khuẩn này Vi khuẩn Anammox có khả năng cố định cacbon như thực vật, mở ra hiểu biết sâu hơn về sinh học và chu trình cacbon của chúng Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kị khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương pháp mẻ liên tục (SBR) nhằm tăng mật độ vi khuẩn và hỗ trợ các nghiên cứu liên quan.
Kết quả cho thấy vi khuẩn thuộc vào phân nhánh
Planctomycete sâu và vi khuẩn đã được đặt tên là
Candidatus Brocadia Anammoxidans Brocadia lấy từ tên của nơi đặt trạm xử lý pilot đã phát hiện ra vi khuẩn, Gist-brocades – Hà Lan
Vào các năm 2000–2002, dựa trên các nghiên cứu, vi khuẩn Anammox được phát hiện ở hệ thống xử lý nước thải RBC tại Stuttgart, Đức, sau đó được xác nhận tại Thụy Sĩ và Bỉ và được xem là loài mới có độ tương đồng dưới 90% với Brocadia anammoxidans, được đặt tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis (Schmid et al., 2000; Egli et al., 2001; Pynaert et al., 2002) Tại phòng thí nghiệm của Đại học Kumamoto, Nhật Bản, trong quá trình nuôi cấy liên tục ở điều kiện kỵ khí, với vật liệu bám là một dạng polyester được thiết kế đặc biệt, phản ứng Anammox và dấu hiệu màu đỏ đặc trưng của vi khuẩn Anammox đã được phát hiện.
Vi khuẩn Anammox được phát hiện trong hệ sinh thái tự nhiên ở vùng nước nghèo oxy ở biển Đen và được đặt tên
Các loài Anammoxidans được phát hiện từ đĩa quay sinh học tại một nhà máy xử lý nước thải ở Pisea (Anh) và đặt tên là
16S rDNA phylogeny of anammox and cultivated planctomycetes (tree by Markus Schmid)
16S rDNA phylogeny of anammox and cultivated planctomycetes (tree by Markus Schmid)
Các vi khuẩn Anammox sinh trưởng rất chậm, việc nuôi cấy và phân lập gặp
Hình 3.7 Sơ đồ cây phát sinh loài
Hình 3.6 thể hiện vi khuẩn Anammox với màu đỏ đặc trưng, quá trình nhận diện trước đây gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, nhờ ứng dụng kỹ thuật phân tử, việc phát hiện trực tiếp trên mẫu sống và định danh các vi khuẩn Anammox đã được tiến hành thuận lợi, mở ra khả năng nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả hơn trong đánh giá sự hiện diện và vai trò của nhóm vi khuẩn này.
Trong bộ Planctomycetales, các chi Anammox mới được phát hiện và các chi đã được định danh cho thấy có mối quan hệ với nhau cũng như với các chi khác Những mối quan hệ này được thể hiện thông qua cây phát sinh loài của vi khuẩn Anammox, phản ánh sự liên kết di truyền và quá trình phân cấp tiến hóa giữa các nhóm vi khuẩn trong Planctomycetales.
Một số đặc điểm sinh lý của vi khuẩn Anammox
Vi khuẩn Anammox có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 43 0 C (tối ưu ở
40 0 C), pH 6,4 – 8,3 (tối ưu pH 8,0) Ở điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 molNH 4 -N/g-protein/phút Ái lực với các cơ chất ammonium
Vi khuẩn Anammox phân hóa rất chậm, cứ 2 đến 3 tuần 1 lần, tức 1 năm 15 lần; và nitrit rất cao thời gian nhân đôi hơn 10 ngày.
Nh ững yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý của vi khuẩn Anammox
3.2.3.1 Thời gian lưu nước (HRT)
- HRT = 12 giờ, hiệu suất đạt được từ 75 – 78%
- HRT = 18 – 24 giờ, hiệu suất đạt từ 86 – 92%
- Khi tăng thời gian lưu từ 24 – 30 giờ thì hiệu suất tăng không đáng kể.
3.2.3.2 Hàm lượng chất hữu cơ - tỉ lệ COD/tổng N
Anammox là vi khuẩn tự dưỡng, không cần nguồn cacbon hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng Hàm lượng COD trong nước thải cao có thể ức chế hoạt động của chúng Do đó, tỉ lệ COD so với tổng nitơ (COD/TN) trong nước thải thường ở mức thấp để tối ưu quá trình xử lý.
- Khi tỉ lệ này từ 0 – 0,2 thì hiệu suất là 80%.
- Tăng tỉ lệ này lên 0,4 – 1,5 thì hiệu suất giảm từ 68 % xuống còn 14%.
Scheme of anammox ultrastructure màng tế bào chất Thành tế bào
Hình 3.8 Cấu tạo của tế bào Anammox
- Khi pH tăng lên 7,5 thì hiệu suất tăng nhanh đến 87%.
- Khi pH tăng từ 8,0 – 8,5 thì hiệu suất tăng nhẹ khoảng 5%, nếu tăng pH đến 9,0 thì hiệu suất bắt đầu giảm.
Giống như các vi khuẩn kị khí khác, vi khuẩn Anammox cũng có ưu điểm chịu được tải lượng cao.
- Tăng tải lượng lên 1 – 3 kgN/m
/ngày, hiệu suất tăng từ 87 – 90%
/ngày, hiệu suất tăng không đáng kể và ổn định ở 90%.
Bảng 3.1 Tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn Anammox
/ngày, hiệu suất bắt đầu giảm từ 90% xuống 75%.
Các yếu tố môi trường
Môi trường Anammox lý thuyết
Môi trường Anammox thực nghiệm
M ột số công nghệ ứng dụng vi khuẩn Anammox
Nguyên lý chung của các công nghệ xử lý nitơ mới dựa trên Anammox là dùng vi khuẩn Anammox để xử lý nitơ, chủ yếu ở dạng ammonium (NH4+) Để hoạt động hiệu quả, hệ thống có thể thực hiện theo hai nguyên tắc: bổ sung nitrit (NO2-) vào quy trình hoặc chuyển hóa một nửa lượng ammonium ban đầu thành nitrit và để nitrit này phản ứng với phần ammonium còn lại Trong đó, hướng thứ hai được xem là nguyên lý chủ đạo cho các ứng dụng thực tế của vi khuẩn Anammox trong xử lý nitơ.
Như vậy, các công nghệ xử lý nitơ mới sẽ bao gồm nitrat hóa bán phần theo sau là quá trình Anammox
3.2.4.1 SHARON và quá trình kết hợp SHARON – Anammox [17]
SHARON, short for Single Reactor System for High Ammonium Removal Over Nitrite, is a novel biological nitrification process It operates under higher temperature and elevated pH conditions to achieve partial nitrification, converting ammonium to nitrite while limiting oxidation to nitrate in a single reactor This enables efficient ammonium removal from wastewater by accumulating nitrite, making SHARON a compact, energy-efficient option and a key step in integrated nitrogen removal schemes such as downstream ANAMMOX.
Quá trình SHARON có thể diễn ra trong một bể khuấy đơn liên tục (CSTR) và được xem là phương án hiệu quả để loại bỏ nitơ khỏi nước thải có nồng độ ammonium cao (>0,5 gN/l) Quá trình này được nghiên cứu và phát triển tại Đại học Delft – Hà Lan.
C; pH > 7), diễn ra trong một bể đơn hiếu khí Quá trình này chuyển húa ẵ ammonium thành nitrit, chi phớ cấp khớ giảm đỏng kể.
SHARON là quá trình xử lý nitơ sinh học thành công đầu tiên sau quá trình nitrat hóa - khử nitrat, với nitrit là sản phẩm trung gian và điều kiện vận hành được tối ưu để duy trì quá trình nitrat hóa bán phần Để duy trì quá trình nitrat hóa bán phần ổn định, các tham số vận hành như nhiệt độ, pH, thời gian lưu nước, hàm lượng chất nền và oxy hòa tan phải được kiểm soát Hunik (1993) phát hiện ra rằng vi khuẩn oxy hóa ammonium (AOB) có tốc độ phát triển cao hơn vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) ở nhiệt độ cao (>25°C) Ở nhiệt độ vận hành 35°C, tốc độ phát triển tối đa của vi khuẩn oxy hóa nitrit chỉ bằng một nửa vi khuẩn oxy hóa ammonium (lần lượt là 1 và 0,5 ngày-1) Và ở nhiệt độ trên 25°C, sự chênh lệch này vẫn tồn tại.
Quá trình oxy hóa ammonium là một quá trình axit hóa, nên việc kiểm soát pH là yếu tố then chốt để ngăn ngừa sự hạn chế của quá trình này Vi khuẩn oxy hóa nitrit rất nhạy với sự biến đổi của pH; khi pH giảm xuống dưới 6,5, quá trình oxy hóa ammonium bị ảnh hưởng do trạng thái cân bằng của pH phụ thuộc vào nồng độ ammonium và ammoniac Khi pH xuống quá thấp, nồng độ ammonium tự do sẽ giảm và không đủ để vi khuẩn oxy hóa ammonium phát triển Vi khuẩn oxy hóa nitrit có tốc độ phát triển khác với vi khuẩn oxy hóa ammonium, vì vậy cân bằng pH và nồng độ của hai chất này ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình nitrification.
Trong hệ thống xử lý nước thải, vi khuẩn oxy hóa ammonium cho thấy hiệu quả hoạt động cao hơn vi khuẩn nitrit Khi thời gian lưu nước ngắn (HRT ngắn), trên bề mặt bể có thể xảy ra hiện tượng vi khuẩn nitrit bị trôi ra khỏi bể theo cơ chế có chọn lọc, làm giảm mạnh hoạt động của chúng trong quá trình nitrit hóa Vì vậy, việc tối ưu HRT và điều kiện vận hành là cần thiết để duy trì sự cân bằng giữa vi khuẩn oxy hóa ammonium và vi khuẩn nitrit, qua đó nâng cao hiệu quả xử lý ammonium và nitrit.
Ammonium tồn tại chủ yếu dưới dạng NH4+ ở điều kiện pH thấp và chuyển sang NH3 khi pH tăng Do NH4+ chuyển thành NH3 ở pH cao, nồng độ ammonium hòa tan trong nước thải đầu ra giảm Tuy nhiên, khi pH vượt quá 8, quá trình nitrat hóa (nitrification) bị ảnh hưởng tiêu cực bởi NH3, khiến vi khuẩn nitrifying hoạt động kém và làm giảm hiệu suất chuyển NH4+ thành NO2- và NO3- Vì vậy, việc kiểm soát pH là yếu tố quan trọng để quản lý nồng độ ammonium và tối ưu quá trình nitrat hóa trong xử lý nước thải.
Ở nhiệt độ thấp, tốc độ tăng trưởng riêng tối đa của AOB nhỏ hơn của NOB; tuy nhiên, vì hệ số nhiệt Van’t Hoff lớn hơn nên ở nhiệt độ trên 28°C có thể gây độc cho vi khuẩn oxy hóa nitrit, ảnh hưởng đến quá trình chuyển nitrit thành nitrat trong hệ thống xử lý nước và các cộng đồng vi sinh liên quan.
0C, AOB có ái lực oxy thấp h ơn NOB (0,63 mgO 2 /l so với 1,32 mgO2
Quá trình SHARON đang được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các ứng dụng nhằm giảm nồng độ ammonium trong nước thải và có thể vận hành lâu dài ở nhiệt độ và pH cao để đạt hiệu quả chuyển hóa nitơ lên tới khoảng 90% Vốn đầu tư ban đầu cho quá trình này thấp, không cần lưu bùn nên kích thước bể vừa phải; đồng thời nó không sinh ra bùn hóa học và lượng bùn sinh học hình thành rất thấp, với nhu cầu oxy thấp giúp tiết kiệm năng lượng và nguồn cacbon hữu cơ bổ sung So với quá trình nitrat hóa và khử nitrat truyền thống, SHARON tiết kiệm khoảng 25% lượng khí cung cấp, 40% nguồn cacbon bổ sung và giảm tới 40% lượng bùn hình thành.
/l), ở điều kiện oxy giới hạn, AOB sẽ chiếm ưu thế (Jayamohan et al., 1988) Nồng độ ammonium đạt được ở đầu ra khác nhau phụ thuộc vào thời gian cấp khí
Trước đây, quá trình oxy hóa ammonium được biết đến chủ yếu do vi khuẩn AOB thực hiện dưới điều kiện hiếu khí và ở mức oxy hạn chế Schmidt và Bock (1997) đã chỉ ra rằng ammonium có thể bị oxy hóa bởi AOB trong điều kiện kị khí và có khí N2.
Sản phẩm chính của oxy hóa kị khí ammonium là khí N
2, nhưng khoảng 10% của lượng nitơ ban đầu (gồm nitrit và ammonium) được chuyển hóa thành nitrat [18]
Trạng thái cân bằng nitơ hoàn toàn đạt được với tỉ lệ của ammonium và nitrit chuyển hóa là 1: 1,31 ± 0,06, tỉ lệ nitrit và sản phẩm nitrat tạo ra là 1: 0,22 ± 0,02:
Quá trình Anammox dựa trên sự bảo toàn năng lượng của quá trình oxy hóa ammonium kị khí với nitrit làm chất nhận điện tử, giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý nitơ trong hệ thống Đây là quá trình không cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài, nhờ hoạt động của nhóm vi sinh đặc thù có khả năng duy trì quá trình tự cấp carbon nội sinh Nhờ cơ chế này, hệ thống xử lý nước thải có thể loại bỏ ammonium và nitrit hiệu quả với chi phí vận hành thấp và sự phụ thuộc ít vào nguồn cacbon bên ngoài.
Quá trình Anammox mở ra một cách thức mới và hiệu quả để loại bỏ nitơ trong nước thải, giúp giảm lượng oxy cần thiết và tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống xử lý Cách thức chuyển hóa của quá trình này được thể hiện qua sơ đồ kèm theo, cho thấy ammonium và nitrite được chuyển đổi trực tiếp thành khí N2 và nước mà không cần oxy, từ đó loại bỏ nitơ một cách bền vững Sơ đồ minh họa giúp hình dung các bước phản ứng và chu trình sinh học tham gia, từ đó hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống xử lý nitơ cho nước thải công nghiệp và đô thị.
OH) là những sản phẩm trung gian của quá trình Cacbon dioxit là nguồn cacbon chính cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn Anammox
Quá trình oxy hóa kị khí ammonium (Anammox) được thực hiện bởi hai vi khuẩn Anammox là Brocadia anammoxidans và Kuenenia stuttgartiensis Hai vi khuẩn này lần đầu được phát hiện ở Hà Lan và sau đó được tìm thấy tại nhiều hệ thống xử lý nước thải ở Đức và Thụy Sĩ Chúng có cấu trúc sinh học gần như hoàn toàn tương tự nhau và đều tạo ra hydrazin từ nguồn cung cấp hydroxylamin ngoại sinh Hoạt động Anammox khi cả hai vi khuẩn có mặt có thể được phát hiện ở phạm vi pH từ 6,4 đến 8,3 và ở nhiệt độ từ 20 đến 43 °C, với nhiệt độ và pH thích hợp nhất của hai loài là giống nhau Hoạt động mạnh nhất của hai vi khuẩn này trên hệ thống Anammox được ghi nhận ở cùng điều kiện môi trường.
K.stuttgartiensis là 26,5 nmol-N 2 /mg-protein/phút ở pH = 8 và 37 0 C Hoạt động này thấp hơn hoạt động lớn nhất của B Anammoxidans (55 nmol N 2 /mg protein/phút ở pH
Vi khuẩn K stuttgartiensis có thể chịu được nồng độ nitrit cao hơn và ít bị kiềm chế bởi photphat; khi mật độ tế bào ở mức thấp, nó hoạt động mạnh hơn so với vi khuẩn B Anammoxidans Tốc độ phát triển (thời gian nhân đôi khoảng 11 ngày) và mức hình thành sinh khối đạt 0,11 g VSS/g NH4.
Hoạt động của vi khuẩn Anammox trong quá trình oxy hóa kị khí ammonium sử dụng nitrit làm tác nhân nhận điện tử, với tốc độ nhận điện tử cao gấp bốn lần so với vi khuẩn oxy hóa hiếu khí trong quá trình nitrat hóa truyền thống Tuy nhiên, hoạt động của vi khuẩn này có thể bị khử hoạt tính bởi tia gamma, nhiệt độ cao và các tác nhân kiềm chế khác Acetylen, photphat và oxy ở nồng độ cao sẽ kiềm chế hoạt động của vi khuẩn Anammox Vi khuẩn Anammox rất nhạy cảm với oxy và nitrit; nồng độ oxy dưới 2 µM và nitrit ở khoảng 5–10 nM có thể kiềm chế hoàn toàn hoạt động của Anammox.
– N) của cả hai loài vi khuẩn trên rất chậm.
Tình hình ứng dụng ở V i ệt Nam
Kết quả phân tích 16S rDNA của bùn SNAP cho thấy sự hiện diện của vi khuẩn AOB có mức độ tương đồng cao với Nitrosomonas europaea, vi khuẩn Anammox nằm rất gần với dòng KU-2 và vi khuẩn NOB có sự tương đồng với Nitrospira sp.
Anammox và các ứng dụng của nó trong xử lý nitơ vẫn là một lĩnh vực khá mới trên thế giới, và cũng là vấn đề mới tại Việt Nam Đến nay, Việt Nam chưa công bố chính thức nào trên các tạp chí chuyên ngành liên quan đến kết quả nghiên cứu thực nghiệm về Anammox Hiện nhóm nghiên cứu ở Việt Nam đang tích cực khảo sát và chuẩn bị công bố các kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm đóng góp cho sự phát triển của công nghệ xử lý nitơ và lĩnh vực sinh học nước thải.
Viện Sinh học Nhiệt đới tại TP Hồ Chí Minh đã làm giàu vi khuẩn Anammox từ một số loại bùn kị khí và tiến hành phân tích định danh vi khuẩn Anammox để xác định đặc điểm và phân loại của chúng.
Trong vòng 9 tháng nuôi cấy làm giàu từ bùn kị khí của bể Biogas xử lý nước thải chăn nuôi heo, nhóm nghiên cứu đã tích lũy được lượng vi khuẩn Anammox đáng kể, cho phép nhận diện bằng mắt thường nhờ màu đỏ đặc trưng của bùn và các dấu hiệu chuyển hóa ở đầu ra.
Phân tích 16S rDNA cho thấy bùn tích luỹ chứa vi khuẩn Anammox với mức tương đồng cao so với các dòng KOLL2a được công bố bởi phòng thí nghiệm ở Thụy Sỹ và KU-2 được phát hiện bởi phòng thí nghiệm ở Nhật Bản; đồng thời vi khuẩn Anammox Candidatus Kuenenia stuttgartiensis đã được xác định ở Châu Âu.
Xử lý nước thải bằng sinh học ở Việt Nam đang phát triển mạnh, đặc biệt ở cấp độ bậc hai, tạo nền tảng cho các công nghệ xử lý tiên tiến Vì vậy, nhu cầu xử lý nước thải ở mức cao hơn (loại N, P) được xem là bước tiếp theo tất yếu Việt Nam có nhiều loại nước thải phù hợp để áp dụng vi khuẩn xử lý, mở ra cơ hội triển khai các giải pháp sinh học hiệu quả và bền vững Việc tập trung vào loại bỏ nitơ và photpho sẽ nâng cao hiệu quả xử lý và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe.
Anammox và các công nghệ dựa trên Anammox đang mở ra giải pháp xử lý nước thải có hàm lượng nitơ ammonium cao và cacbon hữu cơ thấp một cách hiệu quả Các nguồn nước thải điển hình phù hợp với công nghệ này gồm nước rỉ rác, nước tách bùn từ bể Biogas, nước thải chế biến thủy sản và nước thải chế biến nước tương, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế Nhu cầu thực tế này đang gia tăng nhờ khả năng loại bỏ nitrogen ở mức cao, tối ưu hóa tiêu thụ oxy và giảm chi phí vận hành so với các công nghệ truyền thống, đồng thời phù hợp với đặc tính COD thấp của nhiều dòng nước thải Việc triển khai công nghệ Anammox giúp giảm lượng bùn thải, đơn giản hóa hệ thống xử lý và tăng độ tin cậy cho các nhà máy xử lý nước thải.
Hình 3.10 Sơ đồ hoạt động của công nghệ SNAP
44 tác động tích cực đến việc đẩy mạnh nghiên cứu và áp dụng công nghệ Anammox vào xử lý nước thải ở nước ta.