Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam

Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam

MỤC LỤC

Danh mục từ viết tắt 3

Danh mục bảng 4

Danh mục hình 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 9

1.1 Tình hình chăn nuôi ở Việt Nam 9

1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi lợn 9

1.1.2 Định hướng phát triển chăn nuôi lợn tại Việt Nam 10

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn 11

1.1.4 Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường đến năng suất chăn nuôi 13

1.1.5 Tình hình dịch bệnh trong ngành chăn nuôi lợn và thiệt hại kinh tế 14

1.2 Tổng quan về chất thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý chất thải chăn nuôi lợn ở Việt Nam 14

1.2.1 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn 14

1.2.2 Tình hình về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam 19

1.2.3 Tổng quan về quản lý chất thải chăn nuôi lợn trên thế giới 21

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM 24

2.1 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý 24

2.1.1 Xử lý cơ học 24

2.1.2 Xử lý hóa lý 24

2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí 24

2.2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí 24

2.2.2 Các công trình kỵ khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi 27

2.3 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí 37

2.3.1 Các quá trình trong quá trình hiếu khí 37

2.3.2 Các công trình hiếu khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi 37

2.4 Xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học 41

2.4.1 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải 43

2.4.2 Các dây chuyền xử lý N, P trong nước thải 48

2.4.3 Quá trình mới xử lý Nitơ trong nước thải 51

2.4.4 Phương pháp xử lý P trong nước thải 54

2.4.5 Loại bỏ hợp chất N, P trong nước thải bằng thực vật thủy sinh: 55

2.5 Đề xuất và lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung phù hợp với điều kiện Việt Nam 56

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61

3.1 Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 1 61

3.1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 61

3.1.2 Kích thước các công trình 61

3.1.3 Kết quả và thảo luận 62

3.2 Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 2 69

3.2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 70

3.2.2 Vận hành công trình 71

3.2.3 Kết quả và nhận xét 71

3.3 Cơ sở lý thuyết và tính toán các công trình theo sơ đồ DCCN số 3 74

3.3.1 Bể Biogas 75

3.3.2 Bể UASB 77

3.3.3 Mương oxy hóa: 82

3.3.4 Bể lắng 2 83

3.3.5 Hồ sinh học 83

3.4 So sánh lựa chọn công nghệ tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn 84

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 95

Phụ lục 1: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 1 95

Phụ lục 2: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 2 97

Phụ lục 3: Một số hình ảnh và bản vẽ hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 3 99

Danh mục từ viết tắt

BOD: Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh hóa

COD: Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học

F/M Food / Microorganisms Tỷ lệ thức ăn / vi sinh vật

thực quốc tế

thôn Việt NamSBR: Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động gián đoạn

SVI: Sludge Volume Index Chỉ số bùn – thể tích 1g bùn chiếm

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến hết năm 2006 9

Bảng 1.2 Tốc độ tăng trưởng nông nghiệp hàng năm 9

Bảng 1.3 Các bệnh điển hình liên quan đến chất thải chăn nuôi 13

Bảng 1.4 Khối lượng phân và nước tiểu của gia súc thải ra trong 1 ngày đêm15 Bảng 1.5 Lượng chất thải chăn nuôi ước tính năm 2008 16

Bảng 1.6 Thành phần (%) của phân gia súc gia cầm 16

Bảng 1.7 Một số thành phần vi sinh vật trong chất thải rắn chăn nuôi lợn 17

Bảng 1.8 Thành phần trung bình của nước tiểu các lọai gia súc 17

Bảng 1.9 Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung 18 Bảng 1.10 Phương pháp xử lý và sử dụng chất lỏng tại các hệ thống 21

Bảng 2.1 Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas 27

Bảng 2.2 Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp 28

Bảng 2.3 Năng suất khí sinh học từ quá trình lên men các loại nguyên liệu 29

Bảng 2.4 Tỷ lệ C/N trong phân gia súc gia cầm 29

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khí 30

Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật đối với các công trình xử lý kỵ khí 34

Bảng 2.7 Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu 41

Bảng 2.8 Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường 42

Bảng 2.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí 43

Bảng 2.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat hóa 44

Bảng 2.11 Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa 54

Bảng 2.12 Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn 56

Bảng 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sau bể Biogas 62

Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (sau bể thiếu khí) 63

Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (sau bể lọc SH).64

Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (tuần hoàn 20%)

65

Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (tuần hoàn 20%) 65

Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (Sau hồ sinh học) 67

Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (tuần hoàn 20%) 67

Bảng 3.8: Đánh giá tổng hợp hiệu quả xử lý và kết quả sau các quá trình 68

Bảng 3.9 Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas 70

Bảng 3.10:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 6 72

Bảng 3.11:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 7 72

Bảng 3.12 Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 8 73

Bảng 3.13 Tính toán lượng thải và xác định dung tích bể Biogas 75

Bảng 3.14 Các loại bùn nuôi cấy ban đầu bể UASB 81

Bảng 3.15 Các thông số thiết kế hồ sinh học 83

Bảng 3.16 So sánh các sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 85

Danh mục hình

Hình 1.1 Mục đích sử dụng phân trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra

tại một số huyện thuộc TP Hồ Chí Minh 19

Hình 1.2 Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP Hồ Chí Minh 20

Hình 1.3 Mô hình quản lý chất thải rắn chăn nuôi trên thế giới 22

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí Số liệu chỉ %COD trong từng giai đoạn 25

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bể UASB 33

Hình 2.3 Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học 39

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 43

Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình A2/O 48

Hình 2.6 Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình Bardenpho 5 giai đoạn 49

Hình 2.7 Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình UCT 49

Hình 2.8 Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình VIP 50

Hình 2.9 Sơ đồ hoạt động của bể SBR 50

Hình 2.10 Sơ đồ công nghệ xử lý N, P trong mương oxy hóa 50

Hình 2.11: Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4 + 52

Hình 2.12 Sơ đồ xử lý P bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn 55

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 1 61

Hình 3.2 Nồng độ các chất ô nhiễm tại từng giai đoạn thời gian 68

Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 2 70

Hình 3.4 Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể thiếu khí 73

Hình 3.5 Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể aerotenk 74

Hình 3.6 Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại ao sinh học 74

Hình 3.7 Cấu tạo bể UASB 78

Hình 3.8 Tấm chắn khí trong bể UASB 79

Hình 3.9 Tấm hướng dòng trong bể UASB 80

MỞ ĐẦU

Chăn nuôi là một trong hai lĩnh vực quan trọng trong nền nông nghiệp (chăn

nuôi, trồng trọt), nó không những đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùng hàng

ngày của mọi người dân trong xã hội mà còn là nguồn thu nhập quan trọng của hàng

triệu người dân hiện nay. Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quan trọng đối với

nước ta khi có tới hơn 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp

Sự gia tăng của các sản phẩm nông nghiệp kết hợp với nhu cầu về thực phẩm

ngày càng cao của cuộc sống đã thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển mạnh mẽ Sự

phát triển bùng nổ của ngành chăn nuôi để đáp ứng các nhu cầu là một tất yếu

Công nghiệp hóa chăn nuôi có thể là hệ quả tất yếu của chuỗi thực phẩm liên kết

theo chiều dọc và cung ứng cho các cửa hàng bán lẻ lớn, nhưng cũng có thể xảy ra

một cách độc lập

Khi các nước tiến hành công nghiệp hóa họ đi theo mô hình tổ chức vùng

chuyên canh Chăn nuôi truyền thống dựa vào nguồn thức ăn sẵn có của địa phương

như đồng cỏ tự nhiên và phụ phẩm cây trồng Những nguồn thức ăn sẵn có trên, giải

thích sự phân bố của ngành chăn nuôi gia súc nhai lại Trong lúc đó phân bổ chăn

nuôi lợn và gia cầm lại sát với dân cư vì chúng chuyển hóa các vật phế thải thành

thịt và trứng Ví dụ, ở Việt Nam, nước mới bắt đầu công nghiệp hóa 90% mô hình

chăn nuôi gia cầm đều gắn với phân bố dân cư (Gerber và cộng sự - 2005).

Khi còn chăn nuôi nhỏ lẻ, kết hợp với việc sử dụng chất thải từ chăn nuôi cho

hoạt động sản xuất nông nghiệp thì chất thải chăn nuôi từ các hộ gia đình gần như

không phải là một mối hiểm họa đối với môi trường

Phát triển chăn nuôi bền vững, nhất là chăn nuôi lợn hàng hóa như thế nào

trong hoàn cảnh cuộc sống của phần lớn các hộ nông dân còn chật vật khó khăn, đại

bộ phận' người dân chăn nuôi theo kinh nghiệm; thiếu kiến thức chuyên môn, ít

quan tâm về thông tin thị trường, nếu có thì thiếu cụ thể; hiểu biết về sản xuất hàng

hóa chưa trở thành tiềm thức; kinh tế phát triển chưa đồng đều giữa các vùng, là

những rào cản trong phát triển chăn nuôi lợn hàng hóa hiện nay

Khi công nghiệp hóa chăn nuôi cộng với sự gia tăng mạnh mẽ về số lượng đàn

gia súc thì chất thải từ hoạt động chăn nuôi của các trang trại, gia trại đã làm cho

môi trường chăn nuôi đặc biệt là môi trường xung quanh bị ô nhiễm trầm trọng, nó

đã gây nên một làn sóng mới phản đối các trang trại chăn nuôi từ phía người dân ở

gần các trang trại Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi [1], hầu hết các hộ

chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối

nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức

cho phép khoảng 30-40 lần [2] Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho

phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa coliform, e.coli,

COD , và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép

Hiện nay với sự hội nhập quốc tế kèm với nó là sự gia tăng những quy định về

bảo vệ môi trường, ý thức ngày càng được nâng cao của cộng đồng về các vấn đề

môi trường thì vấn đề môi trường nói chung và môi trường chăn nuôi nói riêng đã

nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng Trên thế giới môi trường chăn nuôi đã

được đánh giá một cách khá toàn diện, một trong số đó là các nghiên cứu về xử lý

chất thải chăn nuôi.Tại Việt Nam, mặc dù đã phần nào cảm nhận được tác hại về

môi trường do chăn nuôi gây ra xong gần như chưa có một nghiên cứu đầy đủ nào

về quản lý, xử lý chất thải chăn nuôi

Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ ngành hóa môi trường tác giả xin đưa ra:

“Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học

phù hợp với điều kiện Việt Nam” với mục đích lựa chọn công nghệ tối ưu để xử lý

triệt để chất thải lỏng trong quá trình chăn nuôi lợn ở Việt Nam Đảm bảo nước thải

sau xử lý đạt tiêu chuẩn quy định, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đồng thời

góp phần tăng năng suất và chất lượng chăn nuôi lợn theo định hướng phát triển

kinh tế và bảo vệ môi trường

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Tình hình chăn nuôi ở Việt Nam

1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi lợn

Theo đánh giá của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành

khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất Chăn nuôi Việt

Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp

ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu Trong thời

gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh (Bình quân giai

Số trang trại bò

Số trang trại trâu

Số trang trại dê

Nguồn: tctk- viện kinh tế nông nghiệp việt nam-2009

Trong những năm gần đây xu hướng chăn nuôi nhỏ lẻ đã giảm đi đáng kể Tỷ

lệ số hộ nuôi 1 con lợn giảm đi rõ rệt từ 45% năm 1994 xuống dưới 30% năm 2001

tuy nhiên, tỷ lệ số hộ nuôi 2 con lợn năm 2001 vẫn chiếm 67% tổng số hộ (so với

82% năm 1994) [21] Quy mô phát triển chăn nuôi của các hộ đã lớn hơn nhưng vẫn

còn nhỏ, tính chuyên môn hoá chưa cao

Trong xu thế chuyên môn hóa sản xuất, hình thức chăn nuôi tập trung ngày

càng phổ biến ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới Hiện nay, số lượng trại

chăn nuôi quy mô lớn ngày càng tăng Các trại chăn nuôi lợn tập trung có trên 400

-500 đầu lợn có mặt thường xuyên trong chuồng nuôi Tính đến năm 2006 cả nước

có: 17.721 trang trại, chưa kể các trang trại chăn nuôi các loại vật nuôi khác như

thỏ, lợn rừng, nhím và các loại động vật sống trong nước (cá sấu, ) Trong đó: có

7.475 trang trại chăn nuôi lợn, (miền Bắc: 3.069, miền Nam: 4.406); với 2.990 trang

trại nuôi lợn nái Số trang trại chăn nuôi gia cầm là 2.837, miền Bắc: 1.274, miền

Nam: 1.564); Số trang trại chăn nuôi bò là 6.405, trong đó có 2.011 trang trại chăn

nuôi bò sữa (miền Bắc: 3.069 miền Nam: 4.406); Số trang trại chăn nuôi trâu là:

247 miền Bắc: 222, miền Nam: 27); Số trang trại chăn nuôi dê là: 757 miền Bắc:

1.1.2 Định hướng phát triển chăn nuôi lợn tại Việt Nam

Trong số các nước thuộc khối asean, Việt Nam là nước chịu áp lực về đất đai

lớn nhất Tốc độ tăng dân số và quá trình đô thị hóa đã làm giảm diện tích đất nông

nghiệp Để đảm bảo an toàn về lương thực và thực phẩm, biện pháp duy nhất là

thâm canh chăn nuôi trong đó chăn nuôi lợn là một thành phần quan trọng trong

định hướng phát triển

Theo quyết điịnh số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ

tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm 2020

thì:

+ Đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phương thức

trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lượng

cho tiêu dùng và xuất khẩu;

+ Tỷ trọng chăn nuôi trong nông nghiệp đến năm 2020 đạt trên 42%, trong đó

năm 2010 đạt khoảng 32% và năm 2015 đạt 38%;

+ Đảm bảo an toàn dịch bệnh và vệ sinh an toàn thực phẩm, khống chế có hiệu

quả các bệnh nguy hiểm trong chăn nuôi;

+ Các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phương thức trang trại, công

nghiệp và cơ sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử lý chất thải,

bảo vệ và giảm ô nhiễm môi trường

+ Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2008-2010 đạt khoảng 8-9% năm;

giai đoạn 2010-2015 đạt khoảng 6-7% năm và giai đoạn 2012020 đạt khoảng

5-6% năm

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ rất nhanh

nhưng chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng

trại và kỹ thuật chăn nuôi Do đó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm môi

trường một cách trầm trọng Ô nhiễm môi trường không những ảnh hưởng đến sức

khỏe vật nuôi, năng suất chăn nuôi mà còn ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con

người và môi trường sống xung quanh Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm

thải ra khoảng 75-85 triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không

qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra môi trường gây ô

nhiễm nghiêm trọng

Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều

khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường

đất và các sản phẩm nông nghiệp Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh

về hô hấp, tiêu hoá, do trong chất thải chứa nhiều VSV gây bệnh, trứng giun tổ

chức y tế thế giới (WHO) đã cảnh báo: nếu không có biện pháp thu gom và xử lý

chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con

người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt là các virus biến

thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan

nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người

Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm

môi trường do ngành chăn nuôi gây ra Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi

[1], hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh

gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức Nồng độ khí H2S và

NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần [2] Tổng số VSV và bào tử nấm

cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa

Coliform, E.coli, COD , và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn

cho phép

Ô nhiễm môi trường khu vực trại chăn nuôi do sự phân huỷ các chất hữu cơ có

mặt trong phân và nước thải của lợn Sau khi chất thải ra khỏi cơ thể của lợn thì các

chất khí đã lập tức bay lên, khí thải chăn nuôi bao gồm hỗn hợp nhiều loại khí trong

đó có trên 40 loại gây mùi, chủ yếu là H2S và NH3 Trong điều kiện kỵ khí cộng với

sự có mặt của vi khuẩn trong phân và nước thải xảy ra quá trình khử các ion

sunphát (SO42-) thành sunphua (S2-) Trong điều kiện bình thường thì H2S là một

trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề về màu và mùi Nồng độ S2- tại hố thu

nước thải chăn nuôi lợn có thể lên đến 330 mg/l cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn

(theo TCVN 5945-2005 cột C nồng độ sunfua là 1,0mg/l) [2]

Việc kiểm soát chất thải chăn nuôi là một nội dung cấp bách cần được các cấp

quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm để: hạn chế ô

nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng như

không kìm hãm sự phát triển của ngành

1.1.4 Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường đến năng suất chăn nuôi

Tình hình dịch bệnh bùng phát trên quy mô rộng ngày càng tăng, dịch bệnh có

nhiều nguyên nhân và từ nhiều nguồn khác nhau: do vius, vi khuẩn, ký sinh trùng

Vì vậy để hạn chế các nguyên nhân gây bệnh trên, ô nhiễm môi trường chuồng nuôi

là vấn đề cấp bách cần giải quyết hiện nay

Bệnh và các loại vi khuẩn gây bệnh trên lợn: bệnh tiêu hóa do vi khuẩn E.coli

gây ra ỉa chảy ở lợn con, bệnh do ký sinh trùng gây ra làm lợn chậm lớn, còi cọc

bên cạnh đó chất lượng không khí trong chuồng nuôi cũng rất quan trọng, gia súc

hít vào phổi những chất độc hại gây viêm nhiễm đường hô hấp làm ảnh hưởng đến

sự tăng trưởng Phân và nước thải không được thu gom xử lý sẽ phân hủy gây ô

nhiễm môi trường không khí ảnh hưởng đến năng suất chăn nuôi, môi trường chăn

nuôi bao gồm các yếu tố: khí amoniac, hyđro sunfua, nhiệt độ, độ ẩm, bụi và các khí

gây mùi hôi thối khác

Bảng 1.3 Các bệnh điển hình liên quan đến chất thải chăn nuôi

da niêm mạc

(*nđtp: ngộ độc thực phẩm)

Theo nghiên cứu của viện chăn nuôi [26] về ảnh hưởng của môi trường tới

năng suất chăn nuôi cho thấy, nếu lợn được chăn nuôi trong một môi trường không

ô nhiễm có thể tăng trọng cao hơn nuôi trong môi trường ô nhiễm bình quân

34g/ngày/con (tăng 7% so với chuồng nuôi bị ô nhiễm), tỷ lệ lợn mắc bệnh ở

chuồng ô nhiễm cũng cao hơn 7% so với chuồng không ô nhiễm Điều đó cho thấy

môi trường có ý nghĩa rất lớn đến năng suất chăn nuôi và công tác kiểm soát dịch

bệnh đối với vật nuôi

1.1.5 Tình hình dịch bệnh trong ngành chăn nuôi lợn và thiệt hại kinh tế

Dịch lở mồm long móng (LMLM): các triệu chứng điển hình như trâu, bò, lợn

chảy nhiều nước bọt, loét niêm mạc lưỡi, lở mồm và tụt móng Ở nước ta bệnh

LMLM đã xuất hiện dai dẳng trong nhiều năm qua và khó tiêu trừ, biện pháp duy

nhất là tiêu huỷ gia súc trong khu vực dịch bệnh Đến tháng 2 năm 2007 dịch này

vẫn xuất hiện ở nhiều tỉnh và phải thực hiện tiêu huỷ hàng ngàn con lợn, bò [29]

Dịch bệnh tai xanh của lợn (rối loạn hô hấp và sinh sản - hội chứng PRRS)

triệu chứng: bỏ ăn, sốt, tai chuyển màu xanh và chết bệnh tai xanh do virus lelytad

tấn công và phá hủy đại thực bào (cơ quan có chức năng tiêu diệt vi khuẩn), nên lợn

rất dễ chết vì bị bội nhiễm do vi khuẩn gây bệnh tả, tụ huyết trùng, hen suyễn…một

số bệnh tích thường gặp: não sung huyết, phổi viêm xuất huyết, gan sưng Ở Việt

Nam, bệnh đã xuất hiện tại miền nam nhiều năm trước đây, vào tháng 3/2007 tại

Hải Dương xuất hiện dịch bệnh tai xanh, sau đó đã có thêm gần 30.000 con lợn tại

một số tỉnh đồng bằng Bắc bộ bị nhiễm bệnh Vào tháng 3-4/2008 dịch bệnh tai

xanh lại bùng phát ở 11 tỉnh thành ở cả 3 miền trong cả nước, số lợn mắc bệnh phải

tiêu hủy là 26.300 con [29] Để chữa trị bệnh tai xanh cho lợn có thể sử dụng thuốc

kháng sinh cho lợn, tuy nhiên đã xảy ra hiện tượng nhờn thuốc Biện pháp tối ưu

nhất để ngăn chặn sự lây lan dịch bệnh là khoanh vùng ổ dịch và tiêu hủy lợn bệnh

Dịch bệnh đối với vật nuôi ở nước ta mấy năm gần đây liên tục bùng phát, hết

dịch bệnh này đến dịch bệnh khác, gây tổn thất lớn cho nền kinh tế và nhiều chủ trại

chăn nuôi bị phá sản Các dịch bệnh sau khi được ngăn chặn có nguy cơ bùng phát

trở lại rất cao, mặc dù các cấp các ngành và nhân dân đã mất nhiều công sức và tiền

của để phòng dịch và dập dịch Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững lâu dài,

cần phải đặt công tác môi trường chuồng trại chăn nuôi lên hàng đầu

1.2 Tổng quan về chất thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý chất thải chăn

nuôi lợn ở Việt Nam

1.2.1 Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn

Chất thải chăn nuôi chia ra thành 3 nhóm:

+ Chất thải rắn: Phân, chất độn, lông, chất hữu cơ tại các lò mổ

+ Chất thải lỏng: nước tiểu, nước rửa chuồng, tắm rửa gia súc, vệ sinh lò mổ,

các dụng cụ…

+ Chất thải khí: CO2, NH3, CH4…

Chất thải rắn và nước thải Chất thải rắn chủ yếu là phân, rác, thức ăn thừa của

vật nuôi Chất thải rắn chăn nuôi lợn có độ ẩm từ 56-83%, tỷ lệ N, P, K cao, chứa

nhiều hợp chất hữa cơ, vô cơ và một lượng lớn các vi sinh vật, trứng các ký sinh

trùng có thể gây bệnh cho người và vật nuôi

Tùy theo đặc điểm chuồng nuôi và hình thức thu gom chất thải, chất thải chăn

nuôi lợn bao gồm: chất thải rắn, nước tiểu, nước thải chăn nuôi (hỗn hợp phân, nước

tiểu, nước rửa chuồng )

1.2.1.1 Chất thải rắn - Phân

Là những thành phần từ thức ăn nước uống mà cơ thể gia súc không hấp thụ

được và thải ra ngoài cơ thể Phân gồm những thành phần:

- Những dưỡng chất không tiêu hóa được của quá trình tiêu hóa vi sinh

- Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa (trypsin, pepsin …), các mô tróc ra từ các

niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài

- Các loại vi sinh vật trong thức ăn, ruột bị thải ra ngoài theo phân

a Lượng phân:

Lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và

khẩu phần ăn Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6-8% trọng lượng

của vật nuôi [2] Lượng phân thải trung bình của lợn trong 24 giờ được thể hiện

dưới bảng sau:

Bảng 1.4 Khối lượng phân và nước tiểu của gia súc thải ra trong 1 ngày đêm

Loại gia súc Lượng phân (kg/ngày) Nước tiểu (kg/ngày)

Chất thải rắn bình

quân (kg/con/ngày)

Tổng chất thải rắn/ năm (tr tấn)

Thành phần các chất trong phân lợn phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Thành phần dưỡng chất của thức ăn và nước uống;

- Độ tuổi của lợn (mỗi độ tuổi sẽ có khả năng tiêu hóa khác nhau);

- Tình trạng sức khỏe vật nuôi và nhu cầu cá thể: nếu nhu cầu cá thể cao thì sử

dụng dưỡng chất nhiều thì lượng phân thải sẽ ít và ngược lại

Bảng 1.6 Thành phần (%) của phân gia súc gia cầm

Ngoài ra, trong phân còn có chứa nhiều loại vi khuẩn, virus và trứng ký sinh

trùng, trong đó vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriacea chiếm đa số với các giống điển

hình như Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella Trong 1 kg phân

có chứa 2000-5000 trứng giun sán gồm chủ yếu các loại: Ascaris suum,

Oesophagostomum, Trichocephalus (Nguyễn Thị Hoa Lý, 2004).

Bảng 1.7 Một số thành phần vi sinh vật trong chất thải rắn chăn nuôi lợn

1.2.1.2 Nước phân

Nước phân chuồng là hỗn hợp phân, nước tiểu và nước rửa chuồng Vì vậy

nước phân chuồng rất giàu chất dinh dưỡng và có giá trị lớn về mặt phân bón

Trong 1m3 nước phân có khoảng: 5-6kg N nguyên chất; 0,1kg P2O5; 12kg K2O

(Bergmann, 1965) Nước phân chuồng là nghèo lân, giàu đạm và rất giàu Kali Đạm

trong nước phân chuồng tồn tại theo 3 dạng chủ yếu là: urê, axit uric và axit

hippuric, khi để tiếp xúc với không khí một thời gian hay bón vào đất thì bị VSV

phân giải axit uric và axit hippuric thành urê và sau đó chuyển thành amoni

Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô

nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P

và VSV gây bệnh Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện

chăn nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà

Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy đặc điểm

của nước thải chăn nuôi [1]:

 Các chất hữu cơ: hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% bao gồm cellulose, protit,

acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa Các chất

vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-,…

 N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên

khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu

Trong nước thải chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng N và P rất cao Hàm lượng

N-tổng = 200 – 350 mg/l trong đó N-NH4 chiếm khoảng 80-90%; P_tổng =

60-100mg/l

 Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và

trứng ấu trùng giun sán gây bệnh

Bảng 1.9 Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung

TTNC Lợn Thụy Phương

Trại lợn Tam Điệp

Trại Cty Gia Nam

Trại Hồng Điệp

TB±S D

± 0,24

1061,4 0

± 278

2324,6 0

± 1073

4412,8 0

Chất thải lỏng trong chăn nuôi (nước tiểu vật nuôi, nước tắm, nước rửa

chuồng, vệ sinh dụng cụ, ) ước tính khoảng vài chục nghìn tỷ m3 /năm

1.2.1.3 Khí thải

Chất thải khí: Chăn nuôi phát thải nhiều loại khí thải (CO2, NH3, CH4, H2S,

thuộc các loại khí nhà kính chính ) do hoạt động hô hấp, tiêu hóa của vật nuôi, do ủ

phân, chế biến thức ăn, ước khoảng vài trăm triệu tấn/ năm

1.2.2 Tình hình về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam

1.2.2.1 Chất thải rắn

Công tác quản lý chất thải trong chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn, việc

sử dụng phân lợn trong nông nghiệp vẫn còn bị hạn chế do phân lợn không giống

phân bò hay gia cầm khác Phân lợn ướt và hôi thối nên khó thu gom và vận

chuyển, phân lợn là phân “nóng” khó sử dụng, hiệu quả không cao và có thể làm

chết hoặc mất năng suất cõy trồng (sầu riờng mất mựi, nhón khụng ngọt ) Theo

điều tra tỡnh hỡnh quản lý chất thải chăn nuụi ở một số huyện thuộc TP HCM và

một số tỉnh lõn cận [2] chỉ cú 6% số hộ nuụi lợn cú bỏn phõn cho cỏc đối tượng sử

dụng để nuụi cỏ và làm phõn bún, khoảng 29% số hộ chăn nuụi lợn sử dụng phõn

cho bể biogas và 9% hộ dựng phõn lợn để nuụi cỏ

Hỡnh 1.1 Mục đớch sử dụng phõn trong quỏ trỡnh chăn nuụi lợn theo điều

tra tại một số huyện thuộc TP Hồ Chớ Minh

Theo kết quả điều tra đỏnh giỏ hiện trạng mụi trường của Viện chăn nuụi

(2006) tại cỏc cơ sở chăn nuụi lợn cú quy mụ tập trung ở Hà Nội, Hà Tõy, Ninh

Bỡnh, Nam Định, Quảng Nam, Bỡnh Dương, Đồng Nai cho thấy: Chất thải rắn bao

gồm chủ yếu là phõn, chất độn chuồng, thức ăn thừa và đụi khi là xỏc gia sỳc, gia

cầm chết Kết quả điều tra hiện trạng quản lý chất thải chăn nuụi cho thấy 100% số

cơ sở chăn nuụi đều chưa tiến hành xử lý chất thải rắn trước khi chuyển ra ngoài

khu vực chăn nuụi Cỏc cơ sở này chỉ cú khu vực tập trung chất thải ở vị trớ cuối

trại, chất thải được thu gom và đúng bao tải để bỏn cho người tiờu thụ làm phõn bún

hoặc nuụi cỏ Cỏc bao tải này được tỏi sử dụng nhiều lần, khụng được vệ sinh tiờu

độc nờn nguy cơ gõy ụ nhiễm mụi trường và lõy nhiễm lan truyền dịch bệnh từ trang

trại này sang trang trại khỏc là rất cao Đối với phương thức nuụi lợn trờn sàn bờ

tụng phớa dưới là hầm thu gom thỡ khụng thu được chất thải rắn Toàn bộ chất thải,

bao gồm phõn, nước tiểu, nước rửa chuồng được hũa lẫn và dẫn về bể biogas

1.2.2.2 Chất thải lỏng

Đõy là loại chất thải ớt được sử dụng và khú quản lý do:

Phân bón 6%

Biogas 29%

Bán phân 6%

Không mục đích 50%

Nuôi cá

9%

- Lượng nước thải lớn, lượng nước sử dụng cho nhu cầu uống, rửa chuồng

và tắm cho lợn là 30-50 lít nước/1con.ngđ

- Nước thải có mùi hôi thối, khó vận chuyển đi xa để sử dụng cho các mục

đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản;

- Lượng nước thải quá lớn, không thể sử dụng hết cho diện tích đất canh

tác xung quanh

Hình 1.2 Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại

một số huyện thuộc TP Hồ Chí Minh

Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi

(2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh

Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước thải của các

cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, máng uống và nước

tắm rửa cho lợn Cả 10 cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra đều có chỉ có hệ thống xử

lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas Kết quả điều tra của cho thấy hệ thống xử

lý nước thải tại các trang trại trên là: Nước thải  bể Biogas  hồ sinh học  thải

ra môi trường, hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn khác cũng có sơ đồ xử lý chất

thải như trên [1]

Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn

Nhu cầu sử dụng chất thải chăn nuôi lợn trong nông nghiệp còn rất thấp Vì vậy cần

có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải quyết vấn đề quản lý và khắc phục sự ô

nhiễm môi trường do một lượng chất thải chăn nuôi gây ra

Xö lý s¬ bé, th¶i ra MT 45%

Biogas 40%

T íi c©y 15%

1.2.3 Tổng quan về quản lý chất thải chăn nuôi lợn trên thế giới

Việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn đã được nghiên cứu triển khai ở các nước

phát triển từ cách đây vài chục năm Các nghiên cứu của các tổ chức và các tác giả

như (Zhang và Felmann, 1997), (Boone và cs., 1993; Smith & Frank, 1988),

(Chynoweth và Pullammanappallil, 1996; Legrand, 1993; Smith và cs., 1988; Smith

và cs., 1992), (Chynoweth, 1987; Chynoweth & Isaacson, 1987) Các công nghệ

áp dụng cho xử lý nước thải trên thế giới chủ yếu là các phương pháp sinh học Ở

các nước phát triển, quy mô trang trại hàng trăm hecta, trong trang trại ngoài chăn

nuôi lợn quy mô lớn (trên 10.000 con lợn), phân lợn và chất thải lợn chủ yếu làm

phân vi sinh và năng lượng Biogas cho máy phát điện, nước thải chăn nuôi được sử

dụng cho các mục đích nông nghiệp

Cơ sở chăn nuôiquy mô nhỏ lẻ

Nuôi thả, chuông hở

Nuôi thả, chuông hở

Hệ thống nuôi trên sàn

Hệ thống nuôi

trên sàn

Kho chứa chất thải rắn

Kho chứa chất thải rắn

Hình 1.3 Mô hình quản lý chất thải rắn chăn nuôi trên thế giới

Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước

thải chăn nuôi đã được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua

Tại Hà Lan, nước thải chăn nuôi được xử lý bằng công nghệ SBR qua 2 giai

đoạn: giai đoạn hiếu khí chuyển hóa thành phần hữu cơ thành CO2, nhiệt năng và

nước, amoni được nitrat hóa thành nitrit và/hoặc khí nitơ; giai đoạn kỵ khí xảy ra

quá trình đề nitrat thành khí nitơ Phốtphat được loại bỏ từ pha lỏng bằng định

lượng vôi vào bể sục khí (Willers et al.,1994)

Tại Tây Ban Nha, mước thải chăn nuôi được xử lý bằng quy trình

VALPUREN (được cấp bằng sáng chế Tây Ban Nha số P9900761) Đây là quy

trình xử lý kết hợp phân hủy kỵ khí tạo hơi nước và làm khô bùn bằng nhiệt năng

được cấp bởi hỗ hợp khí sinh học và khí tự nhiên

Tại Thái Lan, công trình xử lý nước thải sau Biogas là UASB Đây là công

trình xử lý sinh học kỵ khí ngược dòng Nước thải được đưa vào từ dưới lên, xuyên

qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng các bông bùn mịn Quá trình khoáng hóa các chất

hữu cơ diễn ra khi nước thải tiếp xúc với các bông bùn này Một phần khí sinh ra

trong quá trình phân hủy kỵ khí (CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính với các

bông bùn và kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bùn, tạo sự khuấy trộn đều giữa

bùn và nước Khi lên đến đỉnh bể, các bọt khí được giải phóng với khí tự do và bùn

sẽ rơi xuống Để tăng tiếp xúc giữa nước thải với các bông bùn, lượng khí tự do sau

khi thoát ra khỏi bể được tuần hoàn trở lại hệ thống

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI CHĂN NUÔI LỢN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM

Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau:

- Phương pháp xử lý cơ học

- Phương pháp xử lý hóa lý

- Phương pháp xử lý sinh học

Trong các phương pháp trên, xử lý sinh học là phương pháp chính, các công

trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý

2.1 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý

2.1.1 Xử lý cơ học

Mục đích là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu

gom, lắng cặn Có thể dùng song chắn rác, bể lắng để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều

kiện xử lý và giảm khối tích các công trình phía sau

2.1.2 Xử lý hóa lý

Sau khi xử lý cơ học, nước thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kích

thước nhỏ, có thể dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng Theo nghiên cứu của

Trương Thanh Cảnh (2001) với nước thải chăn nuôi lợn: phương pháp cơ học và

keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng cặn trong nước thải chăn nuôi lợn Tuy

nhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi

Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để loại bỏ cặn trong nước thải chăn

nuôi lợn, tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành cao nên không phù hợp với các cơ sở

chăn nuôi

2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí

2.2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí

Vào những năm 19 quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng rộng rãi trong xử

lý bùn thải và phân, sau đó phương pháp này được áp dụng cho XLNT nhờ có

những ưu điểm sau:

- Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí;

- Thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước Một lượng sinh

khối lớn được giữ lại trong bể;

- Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp oxy như quá trình xử lý hiếu khí);

- Tạo ra một nguồn năng lượng mới có thể sử dụng (khí sinh học – Biogas);

- Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn

toàn, kỵ khí tiếp xúc

Bên cạnh các ưu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhược điểm sau:

- Nhạy cảm với môi trường (to, pH, nồng độ kim loại nặng…);

- Phát sinh mùi;

- Tốc độ phát triển sinh khối chậm

Trong công nghệ kỵ khí cần lưu ý 2 yếu tố quan trọng:

- Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt;

- Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải và sinh khối vi khuẩn

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp,

bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác

bởi những enzym đặc biệt Sơ đồ biểu diễn tổng quát quá trình xử lý kỵ khí [41]:

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí Số liệu chỉ %COD trong

từng giai đoạn

 Giai đoạn 1- (giai đoạn thủy phân): Nước thải chăn nuôi lợn có chứa nhiều

polyme hữu cơ phức tạp và không tan trong nước (protein, chất béo, carbon hydrat,

cellulose, ligin ) Trong giai đoạn thủy phân những polyme hữu cơ bị bẻ gãy bởi

ChÊt h÷u c¬ kh«ng tan, protein, hydrat carbon,

Methane

các enzym ngoại bào do VSV thủy phân sinh ra để tạo thành các hợp chất hữu cơ

đơn giản hơn Phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành acid amin, carbon

hydrat thành đường đơn và chất béo thành acid hữu cơ mạch dài và glyxerin Nhưng

phản ứng thủy phân cellulose và các chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ

đơn giản xảy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 và các giai đoạn sau, yếu tố

này cũng sẽ hạn chế tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí

Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và

các yếu tố môi trường khác (tốc độ thủy phân xảy ra rất chậm khi nhiệt độ<200C)

 Giai đoạn 2 - giai đoạn acid hóa: các hợp chất hữu cơ đơn giản từ quá trình

thủy phân được các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2

 Giai đoạn 3 - giai đoạn acetate hóa: Sản phẩm của quá trình acid hóa được

tiếp tục chuyển hóa thành nguyên liệu trực tiếp cho quá trình methane hóa Trong sơ

đồ 3.1 cho thấy 70%COD của nguồn được chuyển thành acid acetic và 30%COD

còn lại đóng vai trò là chất cho điện tử và được chuyển hóa thành CO2 và H2

 Giai đoạn 4 - giai đoạn methane hóa: là giai đoạn chậm nhất trong quá trình

xử lý yếm khí Khí methane hình thành từ phản ứng của acid acetic hoặc khí CO2 và

H2 Quá trình này được thực hiện bởi loại VK acetotrophic và hydrogenotrophic

CH3COOH > CH4 + CO2 ; 4H2 + CO2 > CH4 + H2O

Vi sinh vật tạo methane từ hydro và carbonic (hydrogenotrophic) có tốc độ

phát triển nhanh hơn nên đóng vai trò quyết định trong quá trình này Song song với

quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình tổng hợp tế bào của tất cả các nhóm

vi sinh có mặt trong quá trình xử lý

Từ cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí cho thấy:

- Theo sơ đồ 3.1 quá trình hình thành methane COD chuyển thành H2 chỉ

là 30% thông qua nhóm vi khuẩn hydrogenotrophic Vì vậy, để đạt hiệu quả xử lý

COD cao cần tạo điều kiện cho nhóm vi khuẩn này phát triển

- Trong giai đoạn acid hóa, pH của môi trường bị giảm do hình thành acid

béo và các sản phẩm trung gian có tính acid Mặt khác chủng loại vi sinh tạo

methane chỉ phát triển thuận lợi trong môi trường trung tính Để khắc phục hiện

tượng “chua” cần tạo thế cân bằng giữa hai quá trình acid hóa và methane hóa bằng

cách thúc đẩy hoạt tính của VSV methane hóa và duy trì điều kiện đệm (hệ đệm là

HCO3- - CO32-)

Biện pháp xử lý kỵ khí cho chất lượng nước đầu ra còn chứa nhiều hợp chất có

mùi hôi, vì vậy chúng chỉ được coi là một bước tiền xử lý trong hệ thống xử lý

2.2.2 Các công trình kỵ khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi

a Bể Biogas: Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết các cơ

sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình Ưu điểm của bể Biogas là

có thể sản xuất được nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế được một phần các

nguồn năng lượng khác

Trong bể Biogas các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đó sau Biogas

nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn Bùn cặn trong bể biogas có

thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp Cùng với việc có nguồn năng lượng mới sử

dụng, còn góp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ môi trường Khí

Biogas là một nguồn năng lượng có triển vọng trong tương lai đồng thời góp phần

bảo vệ môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên

Khi đốt cháy 1m3 hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000

calo/m3 tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hoa hay

2,2 kW điện [21]

Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi, thời gian lưu

nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khí sinh ra là khác nhau

Bảng 2.2 Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong

Gà 310-620 Rơm 105

Các quá trình sinh hóa trong bể Biogas:

Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn biến

dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan

+ Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều có enzym

cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử

Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus,

H2 và một số chất tan trong nước như formandehit, acetat, ancol methylic Các chất

này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan

+ Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: Nhóm này rất chuyên biệt và đã được

nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cs , 1997 ở Mỹ, được xếp thành 3 bộ, 4 họ,

17 loài Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định Do đó

việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan, như vậy quá

trình lên men mới đảm bảo triệt để Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển cần

có lượng CO2 đủ trong môi trường, nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/

N = 20:1 Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không

phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có

mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh

dưỡng,… Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến

100%

Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống Biogas:

- Nguyên liệu đưa vào: cần phải bổ sung hàng ngày khối lượng phân đầy đủ,

nếu quá nhiều hoặc quá ít phân đều có thể sản sinh ra ít khí hoặc không có khí Do

đó cần phải duy trì sự cân bằng giữa các nhóm vi khuẩn trên, nếu dư các chất hữu

cơ nhóm sinh vật thứ nhất sản sinh ra nhiều acid gây ức chế sự phát triển và hoạt

động của nhóm vi khuẩn thứ hai Công thức pha trộn chung là: 1,5kg phân tự nhiên

+ 30 lít nước = hỗn hợp bùn lỏng có nồng độ căn lơ lửng 5% Sản phẩm khí tạo ra

0,35-0,40m3 khí/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas đối với phân

lợn là 10-15 ngày [29]

Bảng 2.3 Năng suất khí sinh học từ quá trình lên men các loại nguyên liệu

STT Nguyên liệu Lượng khí sinh

học/1kg chấtkhô (m3/kg)

%CH4 trongkhí sinh học

Thời gianlên men(ngày)

- Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N: quá trình phân huỷ kỵ khí tốt nhất nếu nguyên

liệu đưa vào đảm bảo tỷ lệ C/N=30/1 [29]

Bảng 2.4 Tỷ lệ C/N trong phân gia súc gia cầm

Chất lượng nguyên liệu và tỷ lệ hỗn hợp phân/nước: dung dịch lên men phải

đảm bảo hàm lượng chất khô 2-4%, với chất dễ tiêu khoảng 7% Thông thường tỷ lệ

phân/nước=1/1-1/5

- Quá trình khuấy trộn: phải thường xuyên thực hiện phá lớp váng nổi trong

bể Biogas để tạo điều kiện cho khí thoát lên vòm bể và thúc đẩy quá trình sinh khí

Đồng thời trong các vi khuẩn sinh khí có loài thụ động có loài năng động, do đó cần

khuấy trộn để cung cấp thức ăn cho loài vi khuẩn thụ động

- Hoá chất, các độc tố: các hóa chất như thuốc kháng sinh hoặc các sản phẩm

hoá học khác có thể gây ức chế cho quá trình phát triển của VSV Vi sinh vật có thể

ngừng làm việc và hiệu quả sinh khí thấp, vì vậy cần hạn chế sự có mặt của các chất

hoá học trong bể Biogas

- pH: tối ưu khoảng 7-8,5.

- áp suất: Vi khuẩn tạo khí methane rất nhạy cảm với áp suất, chúng chỉ hoạt

động bình thường trong điều kiện áp suất <40mm cột nước [29]

- Nhiệt độ: lý tưởng là 350 C, tuy nhiên quá trình phân huỷ vẫn xảy ra ở nhiệt

độ 15-200C Nếu nhiệt độ thấp hơn thì VSV khó phát triển, dưới 100C thì gần như

quá trình sinh khí không diễn ra Theo Mignotte lượng khí sinh ra trên 1 tấn phân ở

các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian khác nhau được thể hiện trong bảng

sau:

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khí

Nhiệt độ ( 0 C) Khí sinh ra (m 3 /ngày) Thời gian (tháng)

Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) nước thải sau khi qua bể Biogas,

BOD giảm 79-87%, Coliform giảm 98-99,7%, trứng giun sán giảm 95,6-97%

b Hồ kỵ khí: Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ

các bọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác như gió, chuyển

động đối lưu Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu và tải

lượng chất hữu cơ, mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu được thể hiện

qua công thức [2]: E(%) = 1 – 2,4 0,5

Tải trọng BOD của hồ kỵ khí tương đối cao, từ 200-500 kgBOD/ha.ngày Hiệu

quả khử BOD từ 50-85% Hàm lượng chất lơ lửng khi ra khỏi hồ 80-160 mg/l [21]

c Quá trình lọc sinh học kỵ khí: Kỹ thuật lọc yếm khí được sử dụng trong thực tế

lần đầu tiên vào năm 1969, kỹ thuật trên phù hợp với nước thải có hàm lượng chất

hữu cơ cao Tải lượng chất hữu cơ của bể lọc yếm khí có thể đạt tới 1-20 kgBOD/

m3.ngđ[2]

Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh như sỏi, đá, vòng

nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa để xử lý nước thải trong điều kiện không có oxy

Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hướng lên hoặc dòng chảy ngang Nước thải đi qua và

tiếp xúc với toàn bộ lớp vật liệu lọc Sinh khối dính bám trên bề mặt lớp vật liệu lọc

cố định do đó sinh khối được giữ lại trong bể với thời gian lâu hơn thời gian lưu

nước (thời gian lưu nước là 8h, thời gian lưu bùn có thể lên đến 100 ngày)

Quy trình này có nhiều ưu điểm:

- Đơn giản trong vận hành;

- Chịu được biến động lớn về tải lượng ô nhiễm; vận hành ở tải trọng cao;

- Không phải kiểm soát lượng bùn nổi như trong bể UASB;

- Có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phân hủy chậm;

- Thời gian lưu bùn rất cao (khoảng 100 ngày) [9]

Tuy nhiên có nhược điểm là không điều khiển được sinh khối của bể lọc này

Sử dụng quá trình màng VSV kỵ khí cũng như hiếu khí để XLNT chăn nuôi ngoài

việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ còn có thể loại bỏ một lượng lớn các chất lơ lửng,

trứng giun sán, vi khuẩn nhờ cơ chế hấp phụ Tuy nhiên khi XLNT chăn nuôi cần

lưu ý sự tích lũy cặn trong lớp VLL vì hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải là khá

lớn Sự tích lũy cặn sẽ làm tắc lớp VLL tạo ra các vùng chết hoặc xảy ra hiện tượng

đánh thủng lớp VLL làm cho dòng chảy ngắn và phân bố không đều dẫn đến giảm

hiệu quả xử lý Vì vậy cần loại bỏ cặn lơ lửng trước khi đi vào công trình

Sự phát triển của mô hình động học phân hủy yếm khí hiện chưa đạt tới mức

độ cho phép thiết lập các thông số thiết kế cho một hệ xử lý hoặc cần tới quá nhiều

các thông số nhưng tính đặc trưng và ổn định của chúng thấp, vì vậy thiết kế hệ lọc

yếm khí chủ yếu dựa trên kinh nghiệm hoặc từ kết quả nghiên cứu từ thí nghiệm

pilot [2]

Trên cơ sở các thí nghiệm và thực nghiệm với hệ lọc sử dụng vật liệu mang

khác nhau, mặc dù số liệu khá tản mạn nhưng người ta xác lập được mối quan hệ

Theo các số và B=0,87, nếu thời gian lưu tính theo giờ thì hiệu quả xử lý được

xác định theo công thức: E = 1 – 0,87.-0,5 [2]

Theo [1] tổng hợp các kết quả nghiên cứu về lọc kỵ khí trên thế giới cho thấy

bể lọc kỵ khí Đối với nước thải sau Biogas trong đối tượng nghiên cứu có COD

khoảng 1500mg/l tương ứng với hiệu suất xử lý COD khoảng E=65% tương ứng

với thời gian lưu nước qua bể lọc kỵ khí là 8giờ Kết quả trên cũng phù hợp với

công thức tổng hợp của Lê Văn Cát (E = 1 – 0,87.-0,5)

d Quá trình kỵ khí trong UASB: Hệ thống này được nghiên cứu và ứng dụng bởi

Gatze Lettinga và các cộng sự của trường đại học Wageningen ở Hà Lan từ những

năm 1970, nó thích hợp cho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ từ thấp

tới cao tại các vùng nhiệt đới Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng

chất hữu cơ trong nước thải và sinh ra một lượng khí Biogas đáng kể

Nước thải được đưa từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng hạt Quá

trình sinh hóa diễn ra khi nước thải tiếp xúc với lớp hạt bùn này Khí sinh ra sẽ kéo

các bông bùn lên lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước Khi

lên đến đỉnh các bọt khí sẽ va chạm với các tấm chắn nghiêng, các bọt khí được giái

phóng tự do còn bùn được rơi xuống theo trọng lực Tấm chắn được đặt nghiêng

trong vùng tách pha để tăng tiết diện, tiết diện dòng chảy tăng do đó làm giảm tốc

độ lắng của pha rắn tại vùng này, bùn được tích tụ trên bề mặt tấm chắn nghiêng khi

đủ lớn tách ra và rơi xuống vùng lắng

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bể UASB

進流水分配器

出流水 甲烷氣

N íc th¶i sau bÓ UASBKhÝ Biogas

M¸ng thu n íc

quanh bÓ

TÇng pha n íc, pha khÝ

V¸ch ng¨n t¸ch khÝ

Hiệu quả xử lý của bể UASB có tách pha và không tách pha khác nhau [35].

Trường hợp không tách pha: E = 1 – 1,53 -0,64

: thời gian lưu (giờ)

Các hằng số kinh nghiệm A, B trong công thức (3-1) được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật đối với các công trình xử lý kỵ khí

So sánh với các kỹ thuật xử lý yếm khí khác, trên nhiều phương diện cho thấy kỹ

thuật UASB là phương án tốt nhất Thông thường thời gian lưu là 6 ngày cho vùng

khí hậu nhiệt đới, chiều cao bể 4-6m, vận tốc nước dâng v = 0,6-0,9 m/h [3]

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể UASB:

550C) Nhiệt độ tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB là 350C Khi nhiệt

độ dưới 100C vi khuẩn tạo methane hầu như không hoạt động

- pH: pH tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB là từ 6,5-7,5 Nếu pH

giảm thì ngưng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng

acid tăng lên dẫn đến làm chết các vi khuẩn tạo CH4 Phải duy trì độ kiềm

trong nước thải khoảng 1.000-1.500mg/l làm dung dịch đệm để không cho

pH<6,3

- Hàm lượng chất hữu cơ: khi COD < 100mg/l, xử lý bằng USAB không thích

hợp Khi COD>50.000mg/l, cần pha loãng nước thải [2]

- Khả năng phân huỷ sinh học của các chất hữu cơ: có thể xác định bằng cách

cho một lượng COD đã định lượng trước vào mô hình tĩnh và theo dõi lượng

khí methane sinh ra hoặc lượng COD còn lại trong thời gian khoảng 40 ngày

- Chất dinh dưỡng: nhu cầu dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí

thường thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khí Hàm lượng tối thiểu của các nguyên

tố dinh dưỡng xác định theo tỷ lệ (COD/Y) : N : P : S = (50/Y : 5 : 1 : 1)

Trong đó Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải Nước thải

không dễ acid hóa có Y = 0,15; nước thải dễ acid hóa có Y = 0,03

- Hàm lượng cặn lơ lửng: UASB không thích hợp đối với nước thải có hàm

lượng cặn lơ lửng lớn > 3000mg/l Cặn khó có thể phân hủy sinh học được, do

đó cặn sẽ tích lũy dần trong bể gây trở ngại cho quá trình xử lý nước thải

+ Ưu điểm:

- Theo nghiên cứu XLNT trại chăn nuôi lợn Vĩnh An (CEFINA-Trung tâm

Công nghệ quản lý môi trường) trên mô hình kỵ khí UASB cho thấy: ở tải

lượng 2-5 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý đạt 70-72% còn ở tải trọng

5-6kgCOD/m3.ngày thì hiệu quả là 48% [19] Hệ thống UASB có ưu điểm nổi

bật là khả năng chịu tải trọng COD lớn và có chịu được sự thay đổi đột ngột

COD trong nước thải

- Trong bể UASB các loại bùn có mật độ vi sinh rất cao và tốc độ lắng vượt xa

so với bùn hoạt tính hiếu khí ở dạng lơ lửng Lượng bùn sinh ra trong quá trình

xử lý UASB chỉ bằng khoảng 1/5 so với phương pháp hiếu khí [34,36,38]

- Cả ba quá trình: phân hủy, lắng bùn, tách khí được xây dựng, lắp đặt trong

cùng một công trình và có khả năng thu hồi khí Methane;

- Tốn ít năng lượng cho quá trình vận hành, lượng bùn dư ít nên giảm chi phí

xử lý bùn, bùn sinh ra sau hệ thống dễ tách nước

- Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động

trở lại sau một thời gian ngưng nạp nhiên liệu

+ Nhược điểm: Khó khăn khi kiểm soát hiện tượng bùn nổi, tức là phải đảm bảo sự

tiếp xúc tốt nhất giữa bùn và nước thải để duy trì hiệu quả xử lý của bể

Một số thông số kỹ thuật khi thiết kế bể UASB:

- Vận tốc nước thải đưa vào bể duy trì trong khoảng 0,6-0,9m/h;

- pH duy trì trong khoảng 6,6-7,6 (pH<6,2 thì vi khuẩn chuyển hóa methane

hoạt động kém), cần duy trì dung dịch đệm độ kiềm cần duy trì

1000-1500mg/l);

- Chu trình sinh trưởng của VSV acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với VSV

acetate hóa (2-3 giờ, so với 2-3 ngày) Do đó trong quá trình vận hành ban đầu

tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì VSV acid hóa sẽ tạo ra các acid

béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các

acid này thành acetate dưới tác dụng của vi khuẩn acetate Do ở Việt Nam

chưa có loại bùn hạt nên quá trình vận hành ban đầu tải trọng COD khoảng 3kg

COD/m3.ngđ, khi hệ thống hoạt động ổn định có thể tăng lên đến 15-20

kgCOD/m3.ngđ (thời gian này kéo dài khoảng 3-4 tháng) [16]

e Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed): Một trong những yếu tố quan

trọng của hệ UASB là dạng tập hợp sinh khối, sinh khối keo tụ thành hạt bùn: kích

thước 1-5mm, khối lượng riêng lớn, độ bền cơ học cao, tốc độ sa lắng lớn và hoạt

tính methane hóa cao Một hệ UASB thông thường không có khả năng tạo ra các

hạt bùn có tính chất như trên mặc dù có hiệu quả xử lý cao, chứng tỏ chúng không

phải là điều kiện tiên quyết cho hiệu quả xử lý của hệ, chính từ quan điểm trên

người ta đã biến thể hệ UASB thành hệ EGSB Năm 1983 Lettinga và cs, đã phát

minh ra hệ thống EGSB - Expanded Granular Sludge Bed (lớp bùn hạt mở rộng)

Dòng nước thải đi vào hệ thống theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt

mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất hữu cơ chứa trong bùn

thải Vận tốc dòng lên của hệ thống có thể đạt trên 9 m/h, cao hơn nhiều hệ thống

UASB (0,6 - 0,9m/h) Nước thải ra khỏi hệ thống có thể được tuần hoàn trở lại một

phần, do tải lượng của bể EGSB (2-4kgCOD/m3.ngày [17]) thấp hơn so với bể

UASB

+ Ưu điểm:

- Giảm được chi phí xây dựng (do tải trọng xử lý cao);

- Độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động không thuận lợi, có

thể hoạt động được ở nhiệt độ thấp: 8-120C; có thể xử lý nhiều chất độc hại và

nhiều loại acid béo có cấu tạo bền vững;

- Vận tốc nước dâng lớn: 9-12m/h (trong bể UASB là 0,6-0,9m/h)

+ Nhược điểm:

- Tốn năng lượng do dòng tuần hoàn;

- Bùn dư có khả năng phân tách kém hơn bùn trong hệ UASB;

- Do tốc độ dâng nước lớn nên rất khó tạo bùn hạt (loại bùn có hoạt tính cao)

Từ các ưu nhược điểm trên cho thấy hệ thống EGSB nên áp dụng cho nước

thải có tải lượng COD thấp và chứa các chất hữu cơ dạng hòa tan

2.3 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí

2.3.1 Các quá trình trong quá trình hiếu khí

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz + O2   Enzyme CO2 + H2O + H

- Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz+ O2 + NH3  Enzyme TÕ bµo vi khuÈn (C5H7O2N)+CO2 + H2O - H

- Phân hủy nội bào:

C5H7O2N + O2   Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3  H2.3.2 Các công trình hiếu khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi

a Aerotank: Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính được phát minh bởi Arden và

Lockett năm 1914 tại Anh Vi khuẩn dính bám lên các bông cặn có trong nước thải

và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ Các

bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết cho hoạt động

phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng Các bông bùn lớn dần lên do

hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật nguyên sinh qua đó nước thải

được làm sạch

Theo nghiên cứu của Lâm Quang Ngà (1998) ở trại chăn nuôi 3/2 TP HCM:

ứng với tải trọng 0,6-1,5kgCOD/m3.ngày, nồng độ COD đầu vào 200-500 mg/l và

thời gian lưu nước 8-10 giờ thì hiệu quả xử lý đạt được 80-85% Khi tăng thời gian

xử lý lên thì hiệu quả xử lý không tăng nữa

XLNT chăn nuôi bằng bể Aerotank có ưu điểm là tiết kiệm được diện tích và

hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưng chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khá

lớn so với các phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồ sinh học, mương oxy

hóa Do đó tùy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hình thức xử lý phù hợp

b Lọc sinh học hiếu khí: Sử dụng hệ VSV dính bám trên các VLL để xử lý các

chất hữu cơ trong nước thải Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều loại

VSV có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá thể, tạo

thành màng Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ: chất hữu cơ,

cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán

+ Bể lọc nhỏ giọt: vật liệu lọc là sỏi nhẹ, than đường kính hạt 20 - 50 mm.

Chiều dày lớp vật liệu lọc từ 1,5 - 2,0 m Bể được cấp khí tự nhiên nhờ các cửa

thông gió xung quanh bể hoặc cấp khí cưỡng bức Tải trọng của bể lọc sinh học nhỏ

giọt thấp 0,1-0,2 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 1-3m3 nước thải/m2 bề mặt

bể.ngày Thông thường hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học nhỏ giọt E=75-90%

[19]

+ Bể lọc sinh học cao tải: chiều dày lớp vật liệu lọc khoảng 2,0 - 4,0 m Bể

được cấp khí cưỡng bức với lưu lượng 8-12 m3 khí/m3 nước thải Tải trọng của bể

lọc sinh học cao tải 0,2-1,5 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 10-30m3 nước thải/

m2 bề mặt bể.ngày Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học cao tải E=60-85% [19]

c Hồ sinh học: Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương như quá trình tự làm

sạch ở sông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn Trong hồ có thể nuôi

trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá để tăng hiệu quả xử lý Quần thể động

thực vật trong hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa các hợp

chất hữu cơ của nước thải Đầu tiên VSV phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành

các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp chúng lại giải phóng ra oxy

cung cấp cho động thực vật Cá bơi khuấy trộn nước có tác dụng tăng sự tiếp xúc

của oxy với nước, thúc đẩy sự họat động, phân hủy của vi sinh vật

Ngoài nhiệm vụ xử lý nước thải, hồ sinh học còn có các lợi ích: nuôi trồng

thủy sản và cây trồng, điều hòa lưu lượng, dự trữ nước cho các mục đích sử dụng

nước khác

Căn cứ vào đặc tính tồn tại của các nhĩm VSV và cơ chế xử lý mà cĩ thể chia

ra các loại hồ: hồ hiếu khí; hồ kỵ khí; hồ tùy tiện

+ Hồ hiếu khí: Là loại hồ cạn, độ sâu lớp nước trong hồ 0,4-0,8m để cho ánh sáng

mặt trời xâm nhập sâu vào lớp nước Lượng oxy cho các quá trình sinh hĩa chủ yếu

là oxy trong khơng khí xâm nhập qua bề mặt và hoạt động quang hợp của thực vật

trong nước Tải lượng của hồ khoảng 250-300 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước

khoảng 3-12 ngày Do độ sâu nhỏ và thời gian lưu nước lớn do đĩ hồ hiếu khí cĩ

thể kết hợp xử lý nước thải và nuơi trồng thủy sản

Đối với hồ hiếu khí nhân tạo (cung cấp oxy cưỡng bức) thì chiều sâu hồ cĩ thể

2-4,5m; tải lượng 400 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước 1-3 ngày

+ Hồ tùy tiện: được sử dụng rộng rãi trong XLNT, trong hồ xảy ra song song hai

quá trình: oxy hĩa hiếu khí chất hữu cơ và phân hủy methane cặn lắng Chiều sâu

của hồ tùy tiện thường lấy 1,0-1,5m Theo chiều sâu của hồ phân ra thành ba vùng:

Lớp nước phía trên cĩ nhiều oxy hịa tan nên quá trình oxy hĩa xảy ra ở mơi trường

hiếu khí; Lớp giữa là lớp trung gian; Lớp dưới cùng quá trình phân hủy các chất

hữu cơ ở mơi trường yếm khí

2

2

H S Mặt trời

2

CO

Nếu không có O ở lớp phía trên của hồ có thể sinh ra khí có mùi

2

O (các giờ chiếu sáng trong ngày)

Vùng hiếu khí

4 2

Vùng tùy tiện

2 4 2 2

CO + NH + H S + CH

2

O Tế bào chết

Vi khuẩn Tế bào chết

3- 4 3

Tế bào mới

Gió (gió thúc đẩy quá trình

hòa trộn và làm thoáng)

Chất thải hữu cơ

Chất rắn có

thể lắng

Hình 2.3 Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học

d Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng thuỷ sinh thực vật

Trong XLNT, thực vật thủy sinh (TVTS) có vai trò rất quan trọng TVTS tham

gia loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ, phốtpho, kim loại nặng và

VSV gây bệnh Trong quá trình XLNT thì sự phối hợp chặt chẽ giữa TVTS và các

sinh vật khác (động vật phù du, tảo, vi khuẩn, vi nấm, động vật nguyên sinh, nhuyễn

thể, ấu trùng, côn trùng…) có ý nghĩa quan trọng Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào

quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và tạo nguyên liệu dinh dưỡng (N, P và các

khoáng chất khác…) cho thực vật sử dụng Đây chính là cơ chế quan trọng để

TVTS loại bỏ các hợp chất vô cơ N, P Hiện nay việc sử dụng TVTS trong công tác

bảo vệ môi trường ngày càng được chú ý hơn vì chúng có những ưu điểm nổi bật:

- Xử lý được nhiều tác nhân gây ô nhiễm;

- Thân thiện với môi trường;

- Tốc độ tăng trưởng sinh khối nhanh: sinh khối của TVTS sau xử lý có thể sử

dụng làm thức ăn chăn nuôi, sản xuất khí mêtan, phân bón…;

- Giá thành xử lý thấp hơn so với các phương pháp sinh học khác

+Xử lý nước thải bằng tảo: Tảo có khả năng quang hợp, chúng có tốc độ sinh

trưởng nhanh, chịu được các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong

nước thải, có giá trị dinh dưỡng cao Do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này

của tảo để: chuyển đổi năng lượng mặt trời và chất dinh dưỡng trong nước thải

thành năng lượng sinh khối tảo Thông thường người ta kết hợp việc XLNT với sản

xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải,

Các yếu tố cần thiết cho quá trình xử lý nước thải bằng tảo:

Dưỡng chất: Ammoni là nguồn đạm chính cho quá trình tổng hợp nên protein

của tế bào thông qua quá trình quang hợp của tảo Các nguyên tố vi lượng ảnh

hưởng đến sự phát triển của tảo, trong tế bào tảo tỷ lệ P: Mg: K là 1,5:1:0,5

[18]

Độ sâu của tảo: độ sâu của tảo được lựa chọn trên cơ sở tối ưu hóa khả năng

sử dụng ánh sáng trong quá trình quang hợp của tảo, độ sâu thường là 40

-50cm

Thời gian lưu chất thải trong ao: thường chọn lớn hơn 2-8 ngày [18].

Lượng BOD nạp cho hồ tảo: ảnh hưởng đến năng suất tảo vì nếu lượng BOD

nạp quá cao môi trường sẽ trở nên yếm khí ảnh hưởng đến quá trình cộng sinh

của tảo và vi khuẩn Một số thí nghiệm ở Thái lan cho thấy trong điều kiện

nhiệt đới thì lượng BOD nạp vào là 336 kg/ha.ngày (33,6 g/m2.ngày) [18]

+ Xử lý bằng thực vật thủy sinh có kích thước lớn: Thực vật thủy sinh kích thước

lớn có thể sử dụng trong xử lý nước thải chia làm 3 nhóm :

- Nhóm nổi: bèo tấm (Lemna minor), bèo Nhật bản (Eichhornia crassipes),

loại này có thân, lá nổi trên mặt nước, chỉ có phần rễ là chìm trong nước

- Nhóm nửa chìm, nửa nổi: sậy (Pharagmites communis), lau (Cirpus

lacustris) Loại này có bộ rễ cắm vào đất, bùn còn phần thân chìm trong nước,

phần còn lại và lá ở phía trên Mực nước thích hợp của cây là >1,5m

- Nhóm chìm: rong xương cá (Potamogeton crispus), rong đuôi chó (Littorella

umiflora), thực vật loại này chìm hẳn trong nước, rễ của chúng bám chặt vào

bùn đất, còn thân và lá ngập trong nước

Bảng 2.7 Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu

Thuỷ sinh vật sống chìm Hydrilla Hydrilla verticilata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thuỷ sinh vật sống trôi

nổi

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

2.4 Xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học

Trong nước thải chăn nuôi hàm lượng các hợp chất N, P trong nước thải là rất

cao (Ntổng= 200-350mg/l; N-NH4 =180-280mg/l; N-NO2-=1-3mg/l; N-NO3-=

15-60mg/l; BOD5=800-1400mg/l; COD=1300-3500mg/l; Ptổng=60-100mg/l) Hợp chất

nitơ bền và không có hậu quả xấu với môi trường là khí N2 Xử lý hợp chất N trong

nước thải với mục tiêu cao nhất về phương diện công nghệ là chuyển chúng về dạng

khí nitơ

Khả năng loại bỏ N, P qua các quá trình XLNT:

- Trong quá trình xử lý sơ bộ lắng nồng độ N giảm khoảng 5-10% do hợp chất

N được giữ lại ở trong các hợp chất lắng

- Trong quá trình xử lý yếm khí quá trình oxy hóa amoni hầu như không diễn

ra chỉ một phần nhỏ tham gia tổng hợp sinh khối Trong quá trình yếm khí chỉ

chuyển hóa từ dạng N-hữu cơ về dạng N-vô cơ qua quá trình thủy phân

- Trong quá trình xử lý hiếu khí so với quá trình phân hủy COD thì quá trình

oxy hóa N-amoni thành Nitrit và Nitrat diễn ra chậm hơn nhiều Như vậy đối

với nước thải chăn nuôi lợn có hàm lượng N, P cao – thành phần N, P luôn dư

so với nhu cầu tổng hợp tế bào Vậy cần có quá trình thiếu khí để thực hiện

quá trình khử nitrat

Bảng 2.8 Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường

Nhữa cơ N-NH4 N-NO3- Tổng N

Trong quá trình XLNT luôn tồn tại nhiều chủng loại VSV có khả năng cùng

sống trong một môi trường Tỷ lệ của các loại VSV trong quần thể phụ thuộc vào

thành phần nước thải Trong cùng điều kiện hiếu khí, tỷ lệ VSV hiếu khí dị dưỡng

(oxy hóa Chữa cơ) và loại VSV hiếu khí tự dưỡng (oxy hóa NH4+), tỷ lệ các VSV trên

phụ thuộc vào tỷ lệ BOD/N được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí

Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự