Luận án tiến sĩ quản lý tài nguyên và môi trường nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ trong hệ thống bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn

VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU PHẠM HẢI BẰNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI G

VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Hà Nội - 2021

VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

PHẠM HẢI BẰNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG

HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN

Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

Mã số: 9850101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Tiến Anh và TS Bạch Quang Dũng

Các số liệu, kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả xin chịu trách nhiệm trước pháp luật cũng như đạo đức khoa học về lời cam đoan này

Tác giả luận án

Phạm Hải Bằng

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp nghiên cứu sinh trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học, nghề nghiệp mà còn là nơi để nghiên cứu sinh chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình học tập, thực hiện Luận án

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn là TS Đỗ Tiến Anh và TS Bạch Quang Dũng đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án

Tác giả trân trọng cảm ơn Lãnh đạo, chuyên gia, các nhà khoa học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ môn Quản lý tài nguyên và môi trường và các cơ quan hữu quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS Trần Thục, PGS.TS Nguyễn Văn Thắng, PGS.TS Huỳnh Thị Lan Hương, PGS.TS Trịnh Thị Thanh, TS Chu Xuân Quang, TS Trần Thị Thu Lan đã có những ý kiến đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành Luận án

Tác giả xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp về những động viên tinh thần, chia sẻ và những khó khăn mà mọi người đã có thể phải gánh vác trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án của của nghiên cứu sinh

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận án

Phạm Hải Bằng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN, CÔNG NGHỆ SINH HỌC SỬ DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ VÀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC KHÍ NÂNG 13

1.1 Tổng quan nghiên cứu về xử lý nước thải giết mổ lợn 13

1.1.1. Nước thải giết mổ lợn ở Việt Nam 13

1.1.2. Đặc tính và ảnh hưởng của nước thải giết mổ lợn tới môi trường và sức khỏe con người 17

1.1.3. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ 21

1.1.4. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ 40

1.2 Tổng quan về công nghệ sinh học sử dụng vi sinh vật tại chỗ 44

1.2.1. Cơ sở khoa học 44

1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ trên thế giới 46

1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ tại Việt Nam 50

1.3 Tổng quan công nghệ sinh học kết hợp màng lọc khí nâng (Gaslift- MBR) trong xử lý nước thải 52

1.3.1. Công nghệ màng lọc khí nâng 52

1.3.2. Tình hình nghiên cứu màng lọc sinh học khí nâng trong xử lý nước thải trên thế giới và tại Việt Nam 55

1.4 Tiểu kết chương 1 58

Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 61

2.1 Phương pháp tiếp cận 61

2.2 Vật liệu 62

2.2.1. Nước thải giết mổ lợn 62

2.2.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu 64

2.2.3. Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 64

2.2.4. Địa điểm thực hiện nghiên cứu 65

2.3 Phương pháp nghiên cứu 65

2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu 65

2.3.2. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu nước thải và bùn hoạt tính 65

2.3.3. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu 67

2.4 Thiết kế hệ thống và phương pháp nghiên cứu 68

2.4.1. Thiết kế và xây dựng hệ thống MBR khí nâng 68

2.4.2. Nghiên cứu hiệu quả sử dụng vi sinh vật tại chỗ trong việc cải thiện hoạt động của công trình xử lý sinh học trong hệ thống MBR khí nâng 72

2.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng 75

2.4.4. Nghiên cứu xác định điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ 76

2.5 Tiểu kết chương 2 78

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG CÔNG NGHỆ MBR KHÍ NÂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN 80

3.1 Khảo sát đặc tính của nước thải giết mổ lợn từ cơ sở giết mổ Thịnh An 80

3.2 Nghiên cứu khả năng ứng dụng vi sinh vật tại chỗ cho hệ thống MBR khí nâng xử lý nước thải giết mổ lợn 83

3.2.1. Đánh giá khả năng sử dụng vi sinh vật tại chỗ cho bể sinh học hiếu khí xử lý nước thải giết mổ lợn và xác định thời gian khởi động (nghiên

cứu 1) 83

3.2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả hoạt động của bể sinh học hiếu khí sử dụng vi sinh vật tại chỗ 93

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng (nghiên cứu 5) 112

3.4 Nghiên cứu khảo sát các thông số vận hành tối ưu của hệ thống MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ ứng dụng trong xử lý nước thải giết mổ lợn 115

3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành tới hoạt động của hệ MBR khí nâng (nghiên cứu 6) 115

3.4.2. Nghiên cứu xác định các thông số vận hành màng tối ưu cho hệ MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ (nghiên cứu 7) 123

3.5 Đề xuất các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải giết mổ 139

3.6 Tiểu kết chương 3 145

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO 151

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 162

PHỤ LỤC 163

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tỷ lệ nước tiêu thụ trong cơ sở giết mổ [10] 17

Bảng 1.2 Bảng thông số ô nhiễm của nước thải giết mổ gia súc trên thế giới 18

Bảng 1.3 Thông số ô nhiễm của một số cơ sở giết mổ tại Việt Nam 19

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam và một số tổ chức trên thế giới [31] 20

Bảng 1.5 Thành phần các khí trong biogas [23] 24

Bảng 1.6 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kỵ khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới 29

Bảng 1.7 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới 39

Bảng 1.8 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải lò giết mổ tại Việt Nam 43

Bảng 1.9 Tổng quan một số nghiên cứu về công nghệ bổ sung vi sinh vật tại chỗ trên thế giới 49

Bảng 1.10 Khung mục tiêu, nội dung nghiên cứu 59

Bảng 2.1 Các phương pháp phân tích 66

Bảng 2.2 Các thiết bị kết nối với bể sinh học hiếu khí 70

Bảng 2.3 Điều kiện hoạt động của màng ở quy mô phòng thí nghiệm 71

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của modul màng (UF) quy mô phòng thí nghiệm 72

Bảng 3.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải tại cơ sở giết mổ lợn Thịnh An tại xã Vạn Phúc, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội 80

Bảng 3.2 Năng suất lọc (L/m2/giờ) của màng khi chưa cấp khí nâng đối với nước sạch 116

Bảng 3.3 Năng suất lọc của màng khi cấp khí nâng 119

Bảng 3.4 Bảng so sánh các đặc điểm và kết quả 136

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Thống kê cơ sở giết mổ nhỏ lẻ tại các tỉnh, thành phố trên cả nước

năm 2019 14

Hình 1.2 Sơ đồ phát sinh chất thải theo các công đoạn giết mổ gia súc [9] 16

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí 22

Hình 1.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý sinh học kỵ khí [83] 23

Hình 1.5 Lượng CH4 thất thoát trong các quá trình xử lý [41] 25

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất và sự phát triển của vi sinh vật [24] 33

Hình 1.7 So sánh các chỉ số trong hệ thống có BOD cao và BOD thấp [24] 34 Hình 1.8 So sánh sơ bộ phương pháp xử lý sinh học hiếu khí và kỵ khí [35] 35

Hình 1.9 Công nghệ màng đặt ngoài (side stream MBR) sử dụng khí nâng 53

Hình 1.10 Màng đặt ngập nước (submerged MBR) kết hợp khí nâng [42] 54

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của phương pháp nghiên cứu khoa học 62

Hình 2.2 Vị trí của cơ sở giết mổ Thịnh An, huyện Thanh Trì, Hà Nội (nằm trong vùng bãi của sông Hồng) 63

Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý công suất 50L/ngày 69

Hình 2.4 Hệ thống thử nghiệm kiểm tra hoạt động của Module màng lọc đơn 71

Hình 2.5 Hệ Module màng hoàn thiện 72

Hình 2.6 Mô hình bể xử lý sinh học quy mô phòng thí nghiệm 73

Hình 3.1 Diễn biến nồng độ COD theo thời gian 85

Hình 3.2 Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian 85

Hình 3.3 Nồng độ NH4+-N qua các mẻ xử lý 88

Hình 3.4 Nồng độ NO2--N và NO3--N qua các mẻ xử lý 88

Hình 3.5 Hiệu suất xử lý TN của bể xử lý hiếu khí VSVTT và VSVTC 89

Hình 3.6 Kết quả theo dõi nồng độ MLSS 91

Hình 3.7 Mỗi liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ COD trong bể xử lý 93

Hình 3.8 Mối liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ TN trong bể xử lý 94 Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý NH4+, NO2-, NO3-trong bể xử lý hiếu khí được sử dụng vi sinh vật tại chỗ 95 Hình 3.10 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có

sử dụng vi sinh vật tại chỗ 98 Hình 3.11 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 99 Hình 3.12 Nồng độ NH4+-N, NO3--N, NO2--N và hiệu suất xử lý TN trong bể

xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 100 Hình 3.13 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu quả xử lý COD với giá trị SRT trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 103 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu suất xử lý TN với giá trị SRT trong xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 104 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tải lượng COD tới hiệu suất xử lý COD trong bể xử

lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 105 Hình 3.16 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 106 Hình 3.17 Ảnh hưởng của tải lượng TN tới hiệu quả xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 107 Hình 3.18 Biến thiên tải lượng TN và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 108 Hình 3.19 Nồng độ NH4+-N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 109 Hình 3.20 Nồng độ NO2--N, NO3--N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ 110 Hình 3.21 Theo dõi hoạt động của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS khác nhau 112

Hình 3.22 Hiệu suất xử lý của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS

khác nhau 112

Hình 3.23 Thông lượng màng khi thay đổi áp suất và tốc độ hút (khi chưa cấp khí) 116

Hình 3.24 Năng suất lọc của hệ màng (lưu lượng khí nâng Qkhí =0,3 l/ph) 119 Hình 3.25 Năng suất lọc của hệ màng (Qkhí=0,5 l/phút) 121

Hình 3.26 Hiệu quả của quá trình rửa màng bằng hóa chất và nước sạch 122

Hình 3.27 Khảo sát năng suất lọc tại áp suất vận chuyển và lưu lượng sục khí khác nhau 124

Hình 3.28 Khảo sát vận tốc nước chảy trong ống màng (m/giây) 124

Hình 3.29 Diễn biến lưu lượng lọc và áp suất màng 126

Hình 3.30 Nồng độ COD trong hệ MBR khí nâng 130

Hình 3.31 Hiệu suất xử lý COD trong hệ MBR khí nâng 131

Hình 3.32 Hiệu quả xử lý COD trước và sau khi vận hành hệ thống màng MBR khí nâng 132

Hình 3.33 Nồng độ TN theo thời gian xử lý trong hệ MBR khí nâng 133

Hình 3.34 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng 134

Hình 3.35 Nồng độ NH4+-N, NO2--N và NO3--N trong hệ MBR khí nâng 135

Hình 3.36 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng 136

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5

ngày

Biochemical oxygen Demand

F/M Thức ăn/mật độ vi sinh Food/Microorganism

GL-MBR Bể sinh học kết hợp với màng

khí nâng

Gaslift membrane bioreactor

HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time

MBR Bể phản ứng kiểu màng sinh

học

Membrane bioreactor

MLSS Chất rắn lơ lửng trong bể phản

MLVSS Tổng chất lơ lửng bay hơi trong

bể phản ứng

Mixed Liquor Volatile Suspended Solid

SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Reactor

SV30 Thể tích bùn lắng sau 30 phút

VSVTT Kí hiệu bể xử lý được bổ sung

vi sinh vật thông thường VSVTC Kí hiệu bể xử lý được bổ sung

vi sinh vật tại chỗ

Kí hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh

MBBR Bể xử lý dùng giá thể vi sinh

chuyển động

Moving Bed Biofilm Reactor

ASBR Bể phản ứng theo mẻ kỵ khí Anaerobic sequence batch

reactor UASB Bể xử lý sinh học dòng chảy

ngược qua tầng bùn kỵ khí Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

ESP Chất cao phân tử ngoại bào Extracellular polymeric

substance SMP sản phẩm vi sinh hòa tan Soluble microbial products AOB Vi sinh vật oxy hóa amoni Ammonia-oxidizing bacteria NOB Vi sinh vật oxy hóa nitrit Nitrite-oxidizing bacteria SOUR Tốc độ tiêu thụ oxy riêng phần Specific oxygen uptake rate ABR Yếm khí có vách ngăn Anaerobic Baffled Reactor HAFBR Bể phản ứng kỵ khí giá thể cố

định dòng chảy đứng

Anaerobic fixed bed reactor

AGS Bùn hạt hoạt tính Activated granular sludge

MỞ ĐẦU

Nước thải từ hoạt động giết mổ lợn thường có chứa hàm lượng cao của các chất ô nhiễm như chất hữu cơ, chất dinh dưỡng hay các vi khuẩn gây bệnh, nếu thải trực tiếp ra môi trường có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người Vấn đề này cần được đặc biệt quan tâm ở Việt Nam, khi mà phần lớn hoạt động giết mổ gia súc nói chung và giết mổ lợn nói riêng đều sử dụng các quy trình giết mổ thủ công hoặc bán công nghiệp nên lượng nước thải và mức độ ô nhiễm là rất lớn Mặc dù hiện nay, nhiều công nghệ xử lý nước thải giết mổ lợn đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trên thế giới tuy nhiên hiện vẫn chưa có công nghệ nào thực sự phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của các cơ sở giết mổ lợn tại Việt Nam Do đó, việc lựa chọn, nghiên cứu và cải thiện các công nghệ mới phù hợp với đặc điểm của Việt Nam là vấn đề cần được quan tâm

1 Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những vấn đề về được chú ý hiện nay đó chính là ô nhiễm môi trường từ các cơ sở giết mổ nói chung và các cơ sở giết mổ lợn nói riêng Nước thải từ các cơ sở giết mổ lợn, đặc biệt là những cơ sở giết mổ nhỏ lẻ thường có thành phần phức tạp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng mức Trong đó, các chất ô nhiễm chính phải kể đến đó là các hợp chất hữu cơ được đại diện qua chỉ tiêu COD, các chất rắn lơ lửng, các chất dinh dưỡng (N, P) và nhiều loại vi sinh vật gây bệnh Các thành phần ô nhiễm này nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm ô môi trường nghiêm trọng đồng thời ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe

con người

Mặc dù, nguy cơ gây ô nhiễm từ các cơ sở giết mổ là không khó để nhận ra nhưng việc quản lý cũng như xử lý triệt để nguồn ô nhiễm này vẫn

còn gặp nhiều khó khăn do các cơ sở giết mổ chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp giết mổ thủ công hoặc bán công nghiệp, lại nằm xen kẽ giữa các khu dân

cư đông đúc Khi đó, các loại chất thải không có sự phân loại rõ ràng, các loại chất thải như phân, nước, phụ phẩm xả tràn lan khi giết mổ hoặc thải trực tiếp xuống sông, suối, hồ, cống rãnh thoát nước, gây ô nhiễm môi trường nghiêm

trọng

Và để giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường do hoạt động giết

mổ, Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách, quyết định nhằm khuyến khích đầu tư xây dựng các cơ sở giết mổ tập trung có hạ tầng đồng bộ, không chỉ đảm bảo về vấn đề môi trường mà còn đảm bảo về vệ sinh an toàn thực phẩm Theo Cục Thú y, tính đến tháng 6 năm 2018, cả nước có 52/63 (82,53%) tỉnh/thành phố đã được phê duyệt Đề án quy hoạch cơ sở giết mổ động vật tập trung Sau khi phê duyệt, Chính phủ và các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương cũng tích cực ban hành các cơ chế, chính sách nhằm khuyến khích, thu hút và thúc đẩy đầu tư vào những cơ sở này Trong đó hướng tới việc lựa chọn sử dụng các dây chuyền công nghệ tiên tiến, hiện đại và đảm bảo thân thiện với môi trường Mặc dù vậy, mới chỉ có 365/983 (37,1%) cơ sở giết mổ lợn tập trung, 77/152 (50,6%) cơ sở giết mổ gia cầm, 24/95 (25,2%) cơ sở giết mổ trâu, bò được đưa vào sử dụng Việc chủ trương đầu tư xây dựng các

cơ sở giết mổ hiện đại hơn chưa thực sự hiệu quả cần phải được xem xét dựa

trên mặt quản lý nhà nước và mặt công nghệ

Về mặt quản lý, việc quản lý kiểm soát nguồn thải, giám sát chất lượng môi trường; tuyên truyền, hướng dẫn các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân, cộng đồng; các biện pháp tăng cường thanh tra, kiểm tra về môi trường; nâng cao năng lực quản lý môi trường, thẩm định đánh giá tác động môi trường; chủ động trong công tác phòng ngừa và xử lý ô nhiễm môi trường, thay vì bị động ứng phó… vẫn còn

là những thách thức lớn đối với công tác quản lý môi trường nói riêng và quản

lý tài nguyên và môi trường nói chung của Việt Nam hiện nay và trong tương lai

Về mặt công nghệ, trên thế giới hiện đã có nhiều công nghệ có thể được

áp dụng để xử lý nước thải giết mổ lợn, các phương pháp đó bao gồm: các phương pháp hóa lý (keo tụ, tuyển nổi, ), các phương pháp sinh học (các công nghệ xử lý hiếu khí, thiếu khí, kỵ khí,, ) Thông thường, để có thể xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm khác nhau, hệ thống xử lý nước thải từ cơ sở giết mổ gia súc nói chung là sự kết hợp của hai hay nhiều phương pháp xử lý khác nhau Tuy nhiên, vấn đề mấu chốt ở đây đó là chưa có nhiều công nghệ được nghiên cứu ứng dụng đề phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật của các

cơ sở giết mổ tại Việt Nam Các công nghệ này thường yêu cầu diện tích mặt bằng lớn, yêu cầu trình độ vận hành cao, chi phí vận hành lớn, Như vậy, với chủ trương phát triển các cơ sở giết mổ tập trung, là hướng đi tất yếu để nâng cao chất lượng sản phẩm và nâng cao chất lượng cuộc sống thì việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp công nghệ xử lý chất thải nói chung và nước thải nói riêng của các cơ sở giết mổ tập trung là một vấn đề rất cấp thiết, đặc biệt là các công nghệ có thể áp dụng xử lý tại nguồn thay vì cần đầu tư các hệ thống thu gom quy mô lớn và có thể khắc phục được những hạn chế kể trên

Trong thời gian gần đây, công nghệ màng lọc sinh học khí nâng MBR) đã dành được nhiều sự quan tâm Công nghệ mới này vừa mang những

(GL-ưu điểm của công nghệ màng lọc sinh học truyền thống (như khả năng tách pha rắn - lỏng tốt, giúp duy trì được lượng sinh khối tối ưu, đồng thời còn có khả năng loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh, yêu cầu diện tích sử dụng ít hơn so với công nghệ sinh học truyền thống [63]), vừa có thể khắc phục được nhược điểm của MBR đó là hiện tượng tắc màng sau một thời gian vận hành nhất

định, đòi hỏi quá trình làm sạch màng bằng hóa chất hoặc thay màng, dẫn tới làm gia tăng chi phí bảo dưỡng và vận hành Bên cạnh đó, nước thải giết mổ lợn có chứa tỉ lệ cao các hợp chất hữu cơ trong đó chủ yếu là protein Chính đặc điểm này khiến cho việc sử dụng phương pháp xử lý sinh học là hoàn toàn phù hợp Về bản chất, các vi sinh vật xử lý hiếu khí và kỵ khí đều thực hiện các quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm (trong đó có các hợp chất hữu cơ) để phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển Tuy nhiên, sản phẩm của quá trình xử lý kỵ khí thường là các hợp chất hữu cơ thứ cấp và cần tiếp tục được xử lý triệt để thông qua quá trình xử lý hiếu khí Trong khi đó, với đặc tính của nước thải giết mổ thì việc xử lý trực tiếp các hợp chất hữu cơ bằng quá trình xử lý sinh học hiếu khí thông qua khả năng chuyển hóa trực tiếp của các vi sinh vật hiếu khí là hoàn toàn khả thi Đặc biệt, trong nghiên cứu này các vi sinh vật được bổ sung được tuyển chọn từ chính nguồn nước thải giết

mổ, và có những đặc tính sinh học có lợi cho quá trình xử lý nước thải bao gồm (1) là các chủng vi sinh vật hiếu khí và tích tụ nhiều sinh khối, (2) khả năng đồng hóa nhanh các chất ô nhiễm (đặc biệt là các hợp chất hữu cơ) và sinh trưởng nhanh, (3) có năng lực sử dụng cơ chất đa dạng và (4) có đặc tính tạo bông bùn kết lắng nhanh Chính nhờ những ưu điểm này, việc bổ sung các

vi sinh vật tại chỗ sẽ giúp quá trình xử lý nhanh hơn, nâng cao hiệu quả, tính

ổn định của các công trình xử lý sinh học so với việc sử dụng bùn hoạt tính thông thường, rút ngắn thời gian khởi động hệ thống Đồng thời còn mở ra nhiều hướng đi mới liên quan tới việc thu hồi nhiều dinh dưỡng trong nước thải từ chính sinh khối vi sinh vật nhở khả năng sinh trưởng nhanh của chúng

Chính vì vậy, Luận án: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ

trong hệ thống bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn” do nghiên cứu sinh thực hiện kỳ vọng sẽ đưa ra giải pháp

ứng dụng mới, mang tính sáng tạo, thân thiện với môi trường trong xử lý

nước thải giết mổ lợn, giảm chi phí vận hành đối với loại hình giết mổ lợn có diện tích mặt bằng hạn chế, nằm gần các khu đô thị, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện môi trường, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của nhân dân Và góp phần định hướng cho doanh nghiệp sử dụng tiết kiệm và tái sử dụng nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn vào mục đích rửa chuồng trại, tưới cây trồng nhằm tiết kiệm tài nguyên nước và giảm tiền phí nước thải phải chi trả theo quy định của Nghị định số 53/2020/NĐ-CP, ngày 05 tháng 5 năm

2020 của Chính phủ quy định phí bảo vệ môi trường đối với nước thải có hiệu lực từ ngày 01 tháng 7 năm 2020 đang nhận được sự quan tâm của cộng đồng doanh nghiệp và toàn xã hội

2 Mục tiêu của Luận án

- Nghiên cứu ứng dụng được các vi sinh vật tại chỗ trong xử lý nước thải giết mổ lợn bằng phương pháp hiếu khí

- Nghiên cứu xác định được điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ để xử lý nước thải cho cơ sở giết

mổ lợn

- Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải lò giết mổ tập trung đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án đó là quá trình ứng dụng các vi sinh vật tại chỗ được phân lập từ chính nước thải giết mổ lợn vào trong quá trình

xử lý sinh học hiếu khí của hệ thống MBR khí nâng

Luận án đã khảo sát việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ trong các điều kiện

xử lý khác nhau của hệ thống MBR khí nâng trong đó xác định được các điều kiện khởi động và vận hành tối ưu cho hệ thống

Phạm vi nghiên cứu

Để đảm bảo mức độ phù hợp về mặt kinh phí cũng như thời gian thực hiện, Luận án đã tập trung xây dựng và tiến hành các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, trong đó nước thải được sử dụng là nước thải từ cơ sở giết

mổ gia súc Thịnh An, Thanh Trì, Hà Nội Với đặc thù là một cơ sở giết mổ tập trung, là nơi tập trung các hộ giết mổ nhỏ lẻ trong một khu vực được quy hoạch sẵn, phương pháp giết mổ chủ yếu vẫn là phương pháp thủ công, chính

vì vậy nước thải này có mức độ ô nhiễm cao và biến động

Về mặt công nghệ, Luận án sẽ tập trung nghiên cứu hệ thống MBR khí nâng (Gaslift-MBR) quy mô phòng thí nghiệm được bổ sung các chủng vi sinh vật (VSV) tại chỗ Các VSV này được bổ sung thông qua việc sử dụng

chế phẩm vi sinh, là sản phẩm được kế thừa từ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng

vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung”[9],

Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và là tập hợp của các chủng vi sinh vật được phân lập từ nước thải giết

mổ lợn Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc nghiên cứu một số điều kiện vận hành thích hợp để ứng dụng hiệu quả các VSV tại chỗ vào xử lý nước thải giết mổ lợn Kết hợp với việc khảo sát một số thông số vận hành của hệ thống MBR khí nâng được bổ sung các VSV này để có thể đạt được khả năng xử lý cao và ổn định

4 Câu hỏi nghiên cứu

- Việc bổ sung chế phẩm vi sinh có chứa các chủng vi sinh vật tại chỗ,

có sẵn trong nước thải giết mổ lợn có thể giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các thành phần dinh dưỡng trong nước thải giết mổ lợn cũng như nâng cao được tính ổn định của hệ thống xử lý hay không ?

- Việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ có ý nghĩa như thế nào trong việc cải thiện tính ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng ?

- Các điều kiện vận hành thích hợp của hệ thống MBR khí nâng có bổ sung chế phẩm được phân lập từ vi sinh vật tại chỗ là gì ?

- Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này có giúp ích gì cho nhiệm

vụ quản lý, bảo vệ tài nguyên môi trường không?

5 Giả thuyết nghiên cứu

- Luận điểm 1: Bổ sung các chủng vi sinh vật tại chỗ có khả năng rút

ngắn thời gian khởi động và tăng hiệu quả xử lý hiếu khí của hệ MBR khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn

- Luận điểm 2: Việc sử dụng các vi sinh vật tại chỗ giúp nâng cao tính

ổn định của màng lọc khí nâng và cải thiện năng suất lọc của màng lọc khí nâng

- Luận điểm 3: Việc khảo sát các chế độ và thông số vận hành của hệ

MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ sẽ giúp duy trì được hiệu quả hoạt động tối ưu cho toàn bộ hệ thống MBR khí nâng

6 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết về loại bỏ chất ô nhiễm bằng

quá trình phân hủy hiếu khí và công nghệ màng lọc khí nâng

- Khảo sát đặc tính của nước thải giết mổ lợn từ cơ sở giết mổ lợn

Thịnh An

- Nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh chứa các vi sinh vật tại chỗ trong bể sinh học hiếu khí xử lý nước thải giết mổ lợn Trong đó tập trung nghiên cứu các nội dung sau:

+ Nghiên cứu khả năng thích nghi và thời gian khởi động của bể sinh học có bổ sung chế phẩm chứa các vi sinh vật tại chỗ và so sánh với bể sinh học chỉ sử dụng bùn hoạt tính thông thường;

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) đến hiệu suất xử lý COD, TN trong nước thải giết mổ lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí có bổ sung vi sinh vật tại chỗ;

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD, TN của nước thải giết mổ lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí có

bổ sung vi sinh vật tại chỗ

- Nghiên cứu đánh giá vai trò của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ đối với việc cải thiện năng suất lọc, nâng cao khả năng chống tắc màng và tiết kiệm chi phí năng lượng trong vận hành hệ màng MBR khí nâng

- Nghiên cứu các thông số vận hành của hệ MBR khí nâng trong quá trình xử lý nước thải giết mổ lợn quy mô phòng thí nghiệm

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành module màng tới hiệu quả hoạt động của hệ MBR khí nâng, và lựa chọn phương pháp vệ sinh màng;

+ Nghiên cứu lựa chọn vận tốc nước chảy trong ống màng, áp suất vận chuyển và lưu lượng sục khí tối ưu phù hợp cho hệ MBR khí nâng có sử dụng

7 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong Luận án gồm:

7.1 Phương pháp tổng hợp nghiên cứu tài liệu

Với phương pháp này, các hoạt động thu thập, phân tích tổng hợp, kế thừa các số liệu, tài liệu từ các công trình khoa học đã được công bố có liên

quan tới lĩnh vực và đối tượng nghiên cứu thuộc phạm vi của Luận án, nhằm cung cấp đầu vào cho các đánh giá, phân tích, tính toán Trong đó bao gồm cả các tài liệu nghiên cứu thực nghiệm và các cơ sở lý thuyết

7.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Tiến hành thí nghiệm với các hệ thống có quy mô phòng thí nghiệm Các thông số vận hành được lựa chọn, và khảo sát theo từng nội dung nghiên cứu cụ thể

7.3 Phương pháp lấy mẫu và phân tích

Phương pháp quan trắc, lấy mẫu của hệ thống thử nghiệm và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm được sử dụng để đánh giá nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải trước và sau khi xử lý

7.4 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

Số liệu thu được từ các lần thí nghiệm sẽ được thu thập một cách có hệ thống, tổng hợp so sánh để tìm ra giá trị đặc trưng mang tính đại diện cao nhất của kết quả thí nghiệm

Phương pháp phân tích thống kê các kết quả đã thu thập được áp dụng

để đánh giá, so sánh hiệu quả hoạt động của các hệ thống xử lý

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

8.1 Ý nghĩa khoa học

Việc sử dụng các vi sinh vật tại chỗ trong quá trình xử lý hiếu khí kết hợp với công nghệ MBR khí nâng để xử lý nước thải giết mổ lợn đã được nghiên cứu một cách khoa học, bài bản ở quy mô phòng thí nghiệm với hệ thống có công suất 50L/ngày Kết quả của nghiên cứu đã cung cấp những cơ

sở khoa học đáng tin cậy:

- Luận án đã chứng minh khả năng rút ngắn thời gian khởi động của quá trình xử lý sinh học hiếu khí xuống còn 5 - 7 ngày so với quá trình thông

thường, đồng thời nâng cao được hiệu quả xử lý và tính ổn định nhờ vào việc

sử dụng các vi sinh vật tại chỗ được phân lập từ chính nước thải giết mổ lợn

- Luận án đã chứng minh được, khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nước thải giết mổ lợn ở nồng độ MLSS thấp, các vi sinh vật tại chỗ đã giúp hệ thống màng khí nâng đạt được năng suất lọc cao hơn với hệ thống sử dụng bùn hoạt tính thông thường, giảm chi phí vệ sinh do việc tắc màng và tiết kiệm năng lượng vận hành

- Lần đầu tiên, các yếu tố ảnh hưởng và các điều kiện vận hành tối ưu của một hệ thống MBR khí nâng có sử dụng các vi sinh vật tại chỗ để xử lý nước thải giết mổ lợn đã được khảo sát và đánh giá

Cơ sở khoa học trong nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ vào màng khí nâng sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc ứng dụng hiệu quả các vi sinh vật tại chỗ trong xử lý nước thải giết mổ lợn nói riêng và nước thải có nhiều thành phần hữu cơ nói chung

8.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Luận án đã thử nghiệm thành công bể sinh học hiếu khí sử dụng các

vi sinh vật tại chỗ kết hợp màng MBR khí nâng quy mô phòng thí nghiệm và

đã giảm được chi phí lắp đặt và chi phí vận hành của hệ thống vì hệ này không cần bể lắng bùn và không cần chất keo tụ, chất tạo bông Đồng thời giảm được hiện tượng tắc màng, nước thải sau xử lý của hệ đạt được tiêu chuẩn loại B, theo QCVN 40:2011/BTNMT

- Góp phần đưa ra giải pháp công nghệ mới, có tiềm năng để áp dụng trong thực tiễn, phù hợp với hiện trạng và điều kiện kinh tế của các cơ sở giết

mổ lợn tập trung tại Việt Nam Đồng thời kết hợp các kết quả nghiên cứu và giải pháp công nghệ mới được đưa ra trong nghiên cứu này để làm cơ sở đề xuất một số giải pháp quản lý và giám sát xử lý nước thải lò giết mổ tập trung

9 Đóng góp mới của Luận án

Về mặt lý luận: Luận án đã nghiên cứu và chứng minh được việc cải thiện hiệu quả vận hành và hiệu quả năng lượng trong xử lý nước thải giết mổ của hệ thống MBR khí nâng bằng cách sử dụng các vi sinh vật tại chỗ Nghiên cứu chỉ ra vi sinh vật tại chỗ không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý sinh học mà còn tăng cường được hiệu quả lọc và hiệu quả năng lượng của màng khí nâng, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng của công nghệ MBR khí nâng trong thực tiễn Luận án cũng đã xác định các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả

xử lý và vận hành của hệ thống MBR khí nâng khi có sử dụng vi sinh vật tại chỗ, từ đó làm cơ sở cho việc xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống

Về mặt thực tiễn: Hệ thống MBR khí nâng là một hệ thống mới cả trên thế giới và Việt Nam, hiện nay mới chỉ có một vài nghiên cứu về hệ thống này tại Việt Nam Đây là giải pháp hứa hẹn có thể giúp giải quyết các vấn đề tồn tại của các phương pháp truyền thống (ví dụ: vận hành phức tạp, hiệu quả chưa cao, kinh phí vận hành cao…) trong xử lý nước thải giết mổ lợn nói riêng và nước thải giết mổ gia súc nói chung Kết quả của nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ trong hệ thống MBR khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn chứng minh được hiệu quả xử lý và vận hành của hệ thống MBR khí nâng được cải thiện rõ nét khi có sự tham gia của các vi sinh vật tại chỗ Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở cho việc ứng dụng hệ thống MBR khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn nói riêng, nước thải giết mổ gia súc và rộng hơn nữa là nước thải hữu cơ nói chung Bên cạnh đó, từ các kết quả nghiên cứu tổng quan cũng như thực nghiệm, Luận án cũng đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý đối với việc

xử lý nước thải ngay từ nguồn thải, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe người dân

10 Cấu trúc của Luận án

Chương 1: Tổng quan về các công nghệ xử lý nước từ các cơ sở giết

mổ lợn, đặc biệt là các công nghệ sinh học Tình hình nghiên cứu của công nghệ sinh học trên thế giới cũng như tại Việt Nam hiện nay đặc biệt là công nghệ sử dụng các vi sinh vật tại chỗ, và công nghệ bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng, là công nghệ tiên tiến hiện nay được nghiên cứu trong Luận án

Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu, trình tự nghiên cứu được áp

dụng để đánh giá hiệu quả, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và lựa chọn điều kiện thích hợp cho quá trình vận hành hệ thống quy mô phòng thí nghiệm

Chương 3: Các kết quả nghiên cứu đã được thu thập và những phân

tích đánh giá về các kết quả này

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN, CÔNG NGHỆ SINH HỌC SỬ DỤNG VI SINH VẬT

TẠI CHỖ VÀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC KHÍ NÂNG

1.1 Tổng quan nghiên cứu về xử lý nước thải giết mổ lợn

1.1.1. Nước thải giết mổ lợn ở Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay, có nhiều loại hình giết mổ:

- Giết mổ quy mô công nghiệp: là các cơ sở giết mổ được đầu tư với

dây chuyền giết mổ hiện đại, đảm bảo an toàn thực phẩm vệ sinh môi trường

sử dụng công nghệ giết mổ dây chuyền quay với công suất giết mổ lợn vào khoảng 1.800 con/ngày và giết mổ gia cầm là 84.000 con/ngày [14],[10]

- Giết mổ bán công nghiệp: là những cơ sở giết mổ được đầu tư một

phần dây chuyền, thiết bị giết mổ hiện đại bên cạnh những khâu giết mổ còn mang tính thủ công Năng lực giết mổ vì thế cũng thấp hơn so với quy mô giết

mổ công nghiệp và chi phí đầu tư thấp hơn nhiều lần so với dây chuyền giết

mổ quy mô công nghiệp hiện đại

- Giết mổ thủ công tập trung: Hình thức hoạt động của các cơ sở này đó

là tập trung các hộ giết mổ nhỏ lẻ trong một khu vực được quy hoạch sẵn và sau đó sản phẩm được mang đi tiêu thụ Chính vì vậy, phương pháp giết mổ chủ yếu vẫn là phương pháp thủ công và công suất giết mổ cũng không quá lớn

- Điểm giết mổ nhỏ lẻ, hộ gia đình: Đây là loại hình giết mổ chiếm tỉ lệ

cao nhất trong tổng số các cơ sở giết mổ, đặc biệt chưa có số liệu thống kê đầy đủ số lượng do các cơ sở này chủ yếu nằm rải rác trong khu dân cư, hoạt động đa dạng dưới nhiều hình thức khác nhau như giết mổ tại nhà, giết mổ tại

hộ chăn nuôi, một số cơ sở không có địa điểm cố định, hoạt động theo mùa

vụ Các cơ sở giết mổ nhỏ lẻ thường không đáp ứng về điều kiện vệ sinh thú

y, an toàn thực phẩm, đặc biệt nguồn nước thải trực tiếp ra môi trường gây ô

nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt tại các hộ xung quanh [11] Theo thống kê của Cục Thú y năm 2019, cả nước có 28.044 cơ sở giết

mổ nhỏ lẻ, trong đó chỉ có 7.009 hộ có giấy chứng nhận đăng ký hộ kinh doanh Các cơ sở tập trung chủ yếu ở khu vực đồng bằng sông Hồng (chiếm 45%), khu vực Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung (chiếm 26%) Có thể thấy, đây là số lượng cơ sở lớn, trong khi đó việc kiểm soát quản lý các cơ sở giết mổ nhỏ lẻ vẫn còn hạn chế

Hình 1.1 Thống kê cơ sở giết mổ nhỏ lẻ tại các tỉnh, thành phố trên cả

nước năm 2019

(Số liệu năm 2019 của Cục Thú y, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn)

Hiện nay có hai phương pháp giết mổ chính là phương pháp giết mổ thủ công và mổ dây chuyền quay áp dụng cho cơ sở có quy mô công nghiệp Các phương pháp này đều trải qua các bước giết mổ chính tương tự nhau và chỉ có một số ít điểm khác biệt giữa các loại gia súc khác nhau và trang thiết

Vùng Đồng bằng sông Hồng Vùng miền núi và Trung du

Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền trung Tây Nguyên

Đông Nam Bộ Đồng bằng sông Cửu Long

bị được sử dụng Ứng với mỗi công đoạn, thì loại và lượng chất thải cần xử lý

để đảm bảo vệ sinh môi trường và an toàn thực phẩm là khác nhau Tuy nhiên, do chi phí đầu tư và vận hành lớn, nên hoạt động xử lý chất thải nói chung và nước thải nói riêng hiện chỉ được thực hiện tại các cơ sở giết mổ quy mô công nghiệp được đầu tư bài bản Tại các cơ sở giết mổ thủ công, nhỏ

lẻ thì các chất thải này vẫn được xả thẳng ra hệ thống thoát nước chung hoặc môi trường tự nhiên gây nguy cơ ô nhiễm môi trường và không đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho khu vực giết mổ

Có thể thấy, nước thải từ hoạt động giết mổ chủ yếu phát sinh từ các hoạt động nuôi nhốt trước khi giết mổ, hoạt động giết mổ xử lý nội tạng, thịt

và vệ sinh dụng cụ,… Trong đó, chất ô nhiễm trong nước thải chủ yếu có nguồn gốc từ công đoạn cắt tiết và xử lý lòng Máu chiếm 6% trọng lượng của động vật sống vì vậy mà phương pháp xử lý và loại bỏ máu có liên quan chặt chẽ tới lượng chất gây ô nhiễm được tạo ra Khâu làm lòng cũng đóng vai trò lớn trong việc phát sinh các chất ô nhiễm Những chất chứa bên trong ruột chiếm khoảng 16% trọng lượng sống của trâu bò, và khoảng 6% trọng lượng sống của lợn tương đương với khoảng 70kg/con trâu và 6 kg/con lợn, trong đó chỉ riêng chất chứa trong dạ dày trâu, bò nặng tới 30 kg Những chất này bắt buộc phải loại bỏ để sản phẩm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Đây cũng

là nguồn ô nhiễm chính chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan, mỡ, chất có khả năng tạo nên nhũ tương và không thể tách được bằng cách lọc hoặc lắng cặn thông thường [1] Nhu cầu sử dụng nước và phát sinh nước thải trung bình từ hoạt động giết mổ gia súc dao động từ 8,18 m3/tấn thịt xẻ (đối với giết mổ trâu, bò, tương ứng 1,227 m3/con) và 10,65 m3/tấn thịt xẻ (đối với giết mổ lợn, tương ứng 0,746 m3/con) Số liệu này biến động tùy thuộc vào quy mô và loại hình giết mổ Theo hiệp hội chăn nuôi và giết mổ gia súc Úc (MLA), lượng nước

tiêu thụ thực tế cho giết mổ phục vụ xuất khẩu đối với gia súc nhỏ từ 3 - 5

m3/tấn thịt xẻ và cho giết mổ gia súc lớn từ 10 - 11 m3/tấn thịt xẻ

Hình 1.2 Sơ đồ phát sinh chất thải theo các công đoạn giết mổ gia súc [9]

1.1.2. Đặc tính và ảnh hưởng của nước thải giết mổ lợn tới môi trường và sức khỏe con người

Bảng 1.1 Tỷ lệ nước tiêu thụ trong cơ sở giết mổ [10]

TT Công đoạn sử dụng nước Tỷ lệ tiêu thụ nước

- 200.000 mg/L [85] Lượng tiết thất thoát hoặc không sử dụng đến trong quá trình giết mổ là khoảng 0,5 đến 2L/con, còn lượng chất thải dạng lỏng trong

dạ dày của gia súc có thể lên tới 80 kg và tất cả lượng chất thải này đi vào nước thải qua quá trình giết mổ và rửa sạch thành phẩm Đối với một số loại gia súc, thành phần chất thải của dạ cỏ chủ yếu là Lignoxenluloza (là thành

phần chính của rơm, cỏ, ) và một số sản phẩm từ quá trình lên men trong dạ Ngoài ra, loại chất thải này còn chứa nhiều loại vi khuẩn như Salmonella và Shigella, trứng giun sán, coliform, virut và ký sinh trùng và nhiều loại tạp chất như cát sỏi, dây,…[31]

Bảng 1.2 Bảng thông số ô nhiễm của nước thải giết mổ gia súc trên thế giới Thông

Nguồn: (a)[33], (b) [26], (c)[32], (d)[56], (e)[45]

Đặc tính của nước thải giết mổ gia súc có sự biến động rất lớn và có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới điều này như quy mô của cơ sở giết mổ, loại động vật giết mổ, loại hình giết mổ, số lượng nước tiêu thụ trên mỗi động vật và phục vụ cho rửa thiết bị [54]

Bảng 1.3 Thông số ô nhiễm của một số cơ sở giết mổ tại Việt Nam

Thông

số Đơn vị

Xí nghiệp Chế biến Thực phẩm

I, Cần Thơ

[20]

Xí nghiệp chế biến thực phẩm Nam Phong

[2]

Làng nghề giết mổ gia súc Việt Yên

- Bắc Giang

[1]

QCVN 40 (Cột B)

là do sự khác nhau về quy mô và công nghệ giết mổ, sự khác nhau về công nghệ chăn nuôi dẫn tới sự khác biệt về thành phần của chất thải Tuy nhiên, nước thải giết mổ gia súc nói chung cũng như nước thải giết mổ lợn nói riêng

sẽ có những đặc trưng sau đây:

- Lưu lượng và tính chất của nước thải là không ổn định, có thể thay đổi theo giờ hoặc theo công suất vận hành của lò giết mổ

- Thành phần của nước thải cũng rất phức tạp: nước thải chủ yếu là từ hoạt động giết mổ, bên cạnh đó còn có nước thải sinh hoạt, nước rửa chuồng, nước vệ sinh dụng cụ giết mổ, chế biến, Nước thải từ những nơi này có một lượng lớn dầu mỡ và nồng độ chất hữu cơ lớn, nitơ, phốt pho, các chất bảo quản thực phẩm, lông, xương động vật và thức ăn thừa, Chỉ số Coliform, Felcal coliform lên tới hàng triệu CFU/100 ml Chỉ số này cho thấy khả năng

tồn tại của các vi khuẩn gây bệnh đường ruột như Salmonella ssp,

Campylobacter jejuni và các ký sinh trùng đường tiêu hóa như Ascaris sp, Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum và virus đường ruột [74]

Nhằm kiểm soát nguồn nước thải từ hoạt động giết mổ gia súc các tổ chức hàng đầu trên thế giới như cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA), liên minh Châu Âu EU, Trung tâm kiểm soát ô nhiễm Ấn Độ (CPCB), Bộ Bảo vệ môi trường Trung Quốc, Cơ quan môi trường Canada, Hội đồng bảo tồn và môi trường Australia và Newzealand đều đã đưa ra các tiêu chuẩn xả thải đối với nước thải từ các cơ sở giết mổ, Việt Nam hiện nay chưa có tiêu chuẩn xả thải riêng đối với nước thải giết mổ gia súc, và việc kiểm soát ô nhiễm được thực hiện dựa trên QCVN 40/2011/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp Tuy nhiên nếu áp dụng QCVN 40:2011/ BTNMT thì các tiêu chuẩn theo cột B đều thấp hơn hoặc tương đương các mức quy định của các tiêu chuẩn khác trên thế giới (chi tiết trong Bảng 1.3)

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam và một số tổ chức trên thế giới [31]

1.1.3. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về công nghệ sinh học trong

xử lý nước thải giết mổ

Với đặc trưng là hàm lượng protein cao trong đó các chất hữu cơ và nitơ là chủ yếu chiếm đến trên 80% Thì một hệ thống xử lý nước thải giết mổ gia súc trên thế giới hiện nay vẫn còn nhiều quá trình xử lý nối tiếp bao gồm tiền xử lý, xử lý bậc 1, xử lý bậc 2 và có thể bao gồm xử lý bậc 3 tùy thuộc vào yêu cầu về chất lượng nước sau xử lý của mỗi hệ thống Cụ thể, các công nghệ chính được sử dụng để xử lý nước thải giết mổ gia súc có thể chia làm 5 nhóm chính: chôn lấp, xử lý hóa lý, xử lý sinh học, oxy hóa nâng cao (AOP),

và kết hợp các công nghệ trên [87] Mỗi một nhóm công nghệ đều có những

ưu nhược điểm riêng và đóng vai trò riêng trong một hệ thống xử lý hoàn chỉnh Trong đó, các công nghệ xử lý sinh học thường được sử dụng như một quá trình xử lý bậc 2 trong hệ thống có nhiệm vụ chính là xử lý các hợp chất hữu cơ và các hợp chất dinh dưỡng trong nước thải So với một số quá trình

xử lý hóa lý khác thì các công trình sinh học thường có hiệu quả về mặt kinh

tế nhưng đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả về mặt xử lý, chính vì vậy các quá trình xử lý sinh học luôn đóng vai trò quan trọng trong một hệ thống xử lý nước thải giết mổ gia súc

1.1.3.1 Công nghệ xử lý kỵ khí

a Cơ sở của quá trình xử lý kỵ khí

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu là CO2, CH4) Quá trình phân hủy kỵ khí có thể

mô tả bằng sơ đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào mới Một hệ thống xử lý kỵ khí có thể chịu được tải lượng hữu cơ cao, trong khoảng 3,2 - 32 kg COD/m3/ngày tùy theo từng hệ thống [83] Dựa theo hình thức sinh trưởng của vi sinh vật trong hệ thống mà xử lý kỵ khí được phân loại thành một số hệ thống điển hình sau:

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí

Quá trình xử lý kỵ khí là quá trình tổng hợp của hàng loạt phản ứng sinh hóa phức tạp nhưng có thể tổng hợp thành 4 giai đoạn chính như sau [83]:

Hình 1.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý sinh học kỵ khí [83]

+ Giai đoạn 1: Thủy phân: Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của

enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo) Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Chất béo thủy phân rất chậm

+ Giai đoạn 2: Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men

chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0

+ Giai đoạn 3: Acetic hóa (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa

các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới

+ Giai đoạn 4: Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối

của quá trình phân hủy kỵ khí Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol

chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới Trong 3 giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetic hóa, CO2 hầu như không giảm, CO2 chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa Một hệ thống xử lý kỵ khí điển hình có thành phần các khí trong hỗn hợp khí sau xử lý như sau:

25 lần trong 100 năm và 76 lần trong 500 năm Thực tế, ngay tại thời điểm ban đầu khi CH4 đi vào khí quyển, con số này còn có thể lên đến 100 lần [41],[ 88] Các con đường vận chuyển của CH4 được mô tả sơ bộ trong Hình 1.5

Hình 1.5 Lượng CH 4 thất thoát trong các quá trình xử lý [41]

Nói chung, các hệ thống xử lý kỵ khí có một số đặc điểm sau [83]:

• Hệ thống không cần cung cấp Oxy  Tiêu tốn ít năng lượng

• Tạo ra ít bùn sau quá trình xử lý

• Tạo ra một lượng lớn hỗn hợp khí sinh học (thành phần chính là CH4)

• Xử lý không triệt để, tạo ra nhiều hợp chất hữu cơ trung gian

• Thời gian khởi động dài (1 - 2 tháng hoặc hơn)

• Đòi hỏi bổ sung một lượng kiềm vào hệ thống (nếu cần)

• Hạn chế trong quá trình loại bỏ nitơ và phốt pho

• Nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ các chất độc

• Tạo ra mùi khó chịu và các khí ăn mòn

• Thất thoát khí sinh học trong quá trình thu hồi và nước thải dòng ra

b Tình hình nghiên cứu công nghệ kỵ khí trong xử lý nước thải giết mổ

Bashar và cộng sự [24] đã nghiên cứu công nghệ bể kỵ khí có vách ngăn (Anaerobic baffed reactor - ABR) để xử lý nước thải từ lò giết mổ gia súc Amman, một trong những lò giết mổ gia súc lớn nhất của Iran Trong nghiên cứu này, một bể phản ứng quy mô phòng thí nghiệm 10,45 L đã được

sử dụng, hiệu suất của hệ thống xử lý được đánh giá trong liên tục trong 152

ngày thông qua các chỉ tiêu ô nhiễm bao gồm COD, BOD, chất rắn Trong

103 ngày đầu tiên, bể xử lý đã được vận hành tại nhiệt độ môi trường dao động từ 15 đến 23°C, hiệu quả xử lý COD và tổng chất rắn đạt được lần lượt

là 70% và 33% Sau đó, khi nhiệt độ bể phản ứng được kiểm soát ở 40°C, thì hiệu quả xử lý COD và tổng số chất rắn được cải thiện rõ rệt đạt đến 90% và 44% Tải trọng ô nhiễm biến động trong khoảng giá trị 0,2 đến 0,825 kg/m3/ngày Đồng thời, việc tăng nhiệt độ bể phản ứng cũng đã làm tăng lượng khí sinh học thu được đạt mức trung bình là 122 ml/ngày Với hiệu quả

xử lý COD và khả năng thu hồi khí sinh học cao, công nghệ này có nhiều tiềm năng khi áp dụng trong thực tế Tuy nhiên, với yêu cầu vận hành ở 40oC, thì bài toán kinh tế về chi phí năng lượng cần được xem xét kĩ khi tính toán công nghệ

Cũng sử dụng phương pháp kỵ khí nhưng Mohammed và cộng sự [75]

đã lựa chọn nghiên cứu một công nghệ truyền thống và được ứng dụng rộng rãi đó là UASB Trong nghiên cứu này, các tác giả đã tiến hành xác định ảnh hưởng của tải lượng chất hữu cơ tới hiệu quả của quá trình phân hủy kỵ khí nước thải giết mổ gia súc nhờ các vi sinh vật ưa ấm trong bể xử lý UASB Các hệ thống UASB quy mô phòng thí nghiệm dung tích 8L và 6L đã được sử dụng và vận hành ở điều kiện 35oC Có thể thấy, đối với quá trình xử lý kỵ khí, các vi sinh vật ưa ấm đóng vai trò chính trong quá trình xử lý vì vậy mà nhiệt độ thường được duy trì trong khoảng 25 - 40oC Mười hai giá trị tải lượng chất hữu cơ khác nhau đã được sử dụng trong nghiên cứu này và kết quả phân tích cho thấy, hiệu quả xử lý COD cao nhất đã đạt được là 90% tại tải lượng là 0,4 g/L/ngày và giảm xuống chỉ còn 50% khi tải lượng tăng lên tới 15 g/L/ngày Ngoài ra, nghiên cứu cũng đã lựa chọn thời gian lưu thủy lực (HRT) tối ưu là 1 ngày với hiệu suất xử lý COD đạt được là trên 70%, với nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước đầu vào là 1.955 mg/L thì hiệu suất xử lý

đạt được 70% Tuy nhiên, nồng độ COD sau xử lý vẫn còn duy trì ở mức cao

>200 mg/L, giá trị này cao hơn giá trị yêu cầu theo tiêu chuẩn của Malaysia là nơi thực hiện thí nghiệm, do đó, cần có thêm các biện pháp tiền xử lý và xử lý kết hợp để có thể đạt được hiệu quả xử lý như mong muốn

Một hạn chế của quá trình phân hủy kỵ khí trong bể UASB đó là hiệu quả của hệ thống có thể bị ảnh hưởng nhiều khi mà nồng độ các chất rắn hữu

cơ lửng trong nước thải cao như nước thải giết mổ gia súc Vì vậy, tác giả Ronaldo [46] đã đề xuất quá trình xử lý kỵ khí 2 bậc, là sự kết hợp của bể phản ứng kỵ khí giá thể cố định dòng chảy đứng (HAFBR), sử dụng các giá thể làm từ tre và bể UASB Trong đó, bể đầu tiên có nhiệm vụ thủy phân một phần vật liệu hữu cơ phức tạp và bể còn lại sẽ phân hủy nốt các hợp chất hòa tan được hình thành trong bể thứ nhất Với giá trị tải lượng chất hữu cơ và thời gian lưu thủy lực của 2 bể HAFBR và UASB lần lượt là 8,46 và 3,77 kg/m3/ngày và 0,53 và 0,98/ngày thì hiệu suất xử lý đạt được sau 150 ngày thí nghiệm đối với chỉ tiêu COD; và chất rắn lơ lửng lần lượt là 31 và 23% với HAFBR và 79 và 63% với UASB Theo đó, mặc dù hiệu quả xử lý COD của

cả hệ thống HAFBR/UASB đạt được là 84 - 86%, tuy nhiên, việc kết hợp 2 công nghệ này làm tăng mức độ phức tạp cho quá trình vận hành hệ thống, trong khi hiệu quả xử lý không được cải thiện đáng kể và trong khi thời gian

để khởi động hệ thống vẫn dài Wolfgang và cộng sự [86] cũng đã tiến hành nghiên cứu công nghệ bể kỵ khí giá thể cố định có quy mô 2,8 m3 để xử lý nước thải giết mổ gia súc Đặc biệt, nghiên cứu sử dụng giá thể từ tre, có giá thành rẻ và phù hợp cho các nước kém phát triển Mặc dù so với giá thể từ các loại nguyên liệu khác thì giá thể từ tre có độ xốp và bề mặt riêng thấp hơn, hiệu quả xử lý COD tối đa vẫn đạt được 95% với tải lượng hữu cơ là 1 kg COD/m3/ngày và thời gian lưu thủy lực là 7,5 ngày Ở giá trị tải lượng hữu cơ cao hơn là 4 kgCOD/m3/ngày thì hiệu suất đạt được là 75% với thời gian lưu