Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi

Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi

MỤC LỤC

Trang

I Khử trùng bằng phương pháp vật lý 3

1 Phương pháp nhiệt 3

2 Khử trùng bằng tia cực tím 3

3 Khử trùng bằng siêu âm 4

II Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học 4

1 Trung hoà nước thải 4

2 Phương pháp hấp phụ 5

3 Phương pháp quang xúc tác 6

4 Phương pháp kết tủa 7

5 Phương pháp oxi hoá khử 7

III Xử lý chất thải hữu cơ bằng biện pháp sinh học 9

1 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ 9

2 Kỹ thuật sản xuất giun đất từ phân gia súc 12

3 Sản xuất sinh khối tảo làm sạch môi trường 14

4 Ứng dụng tảo 19

IV Tổng quan về tình hình sử dụng và ưu điểm biogas 21

1 Khái niệm chung và quá trình phát triển 23

2 Một hệ thống năng lượng khép kín gồm 24

3 Các loại hầm khí sinh vật được áp dụng 25

Loại hầm ủ nắp cố định, có vòm đúc 25

Loại hầm ủ nắp vòm cầu do chương trình phát triển khí sinh học quốc gia phổ biến 25

Các loại túi biogas 27 V Tiểu chuẩn về xử lý chất thải với ngành chăn nuôi 28

1 Khái niệm về COD 29

2 Phương pháp xác định COD 29

VI Bài toán hiệu quả kinh tế sử dụng biogas 30

VII Tài liệu tham khảo 32

Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi

I Khử trùng bằng phương pháp vật lý

I.1 Phương pháp nhiệt

Đây là phương pháp đơn giản và lâu đời nhất, giết được các vi thể gây bệnhnhư các vi khuẩn, vi trùng, nang , trứng Đó là biện pháp hiệu quả trong xử lýphạm vi hộ gia đình, song không khả thi trong xử lý nước cấp cho cộng đồng, chỉ

ta chưa thiết kế những hệ thống để sử dụng cho gia đình Hiện nay, bang Ohio(Hoa Kỳ) vẫn chưa cho phép sử dụng phương pháp này để xử lý nước cấp

Theo biện pháp này, nước được cho qua một bể chứa có lắp đặt một đèn thạch anh - thủy ngân phát ra tia UV Bức xạ UV tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa các vi sinh vật gần như lập tức

UV là một biện pháp rất hữu hiệu để khử trùng Tuy nhiên, việc khử trùng chỉ xảy ra trong bể chứa Do đó, khả năng nước bị nhiễm khuẩn lại sau khi ra khỏi bể chứa có thể xảy ra

Muốn tiêu diệt được vi khuẩn, tia UV phải tiếp xúc với vi khuẩn đó, do đó nguồn sáng phải luôn luôn giữ "sạch" Các dung dịch sodium hydrosulfite (0,15%)

và acid citric (0,15%) là dung dịch hữu hiệu để tẩy rửa các chất bám trên nguồn sáng (với thời gian tẩy rửa qua đêm) Các vi khuẩn chết có thể là vật chắn tia UV cho các vi khuẩn còn sống, do đó khả năng khử trùng bằng tia UV cũng có giới hạn Giới hạn tối đa cho việc xử lý bằng tia UV là 1000 coliform tổng số/100mL

I.3 Khử trùng bằng siêu âm

Đây là một phương pháp khử trùng triệt để nhưng tốn kém

Dưới tác dụng của sóng siêu âm giết chết các tế bào thực, động vật, các vi sinh

và cả những cơ thể lớn hơn rất độc có trong nước uống và nước kỹ thuật

II Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học

1 Trung hoà nước thải

Nước thải thường có pH không thích hợp cho các quá trình xử lý sinh học hoặc thải ra môi trường, do đó nó cần phải được trung hòa Có nhiều cách để tiến hành quá trình trung hòa

 Trộn lẫn nước thải có pH acid và nước thải có pH bazơ Bằng cách trộn lẫn hai

loại nước thải có pH khác nhau, chúng ta có thể đạt được mục đích trung hòa Quá trình này đòi hỏi bể điều lưu đủ lớn để chứa nước thải

 Trung hòa nước thải acid: người ta thường cho nước thải có pH acid chảy qua một

lớp đá vôi để trung hoà; hoặc cho dung dịch vôi vào nước thải, sau đó vôi được tách ra bằng quá trình lắng.

 Trung hòa nước thải kiềm: bằng các acid mạnh (lưu ý đến tính kinh tế) CO2cũng

có thể dùng để trung hòa nước thải kiềm, khi sục CO2 vào nước thải, nó tạo thành acid carbonic và trung hòa với nước thải

Xử lý bằng bột than hoạt tính: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) được cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho lắng, hoặc lọc Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng polyelectrolyte Bột than hoạt tính còn được cho vào

bể aeroten để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải Than hoạt tính sau khi sử dụng thường được tái sinh để xử dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinhbột than hoạt tính chưa được tìm ra, đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quátrình tái sinh 5 - 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt mới

Xb: trọng lượng của chất hữu cơ bị hấp phụ bởi các hạt than hoạt tính lb hoặc g

Mc: trọng lượng than hoạt tính sử dụng cho cột lọc

Q: lưu lượng nước thải, Mgal/d

Ci: hàm lượng chất hữu cơ của nước thải, mg/L

Cb: hàm lượng chất hữu cơ bị hấp phụ (lý thuyết), mg/L

tb: thời gian cần thiết cho quá trình hấp phụ

3.Phương pháp quang xúc tác

Quá trình quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hóa bằng chất xúc tác, dựa trên nguyên tắc chất xúc tác Cat nhận năng lượng ánh sáng sẽ chuyển sang dạng hoạt hóa * Cat, sau đó * Cat sẽ chuyển năng lượng sang cho chất thải và chất thải sẽ bị biến đổi sang dạng mong muốn Quá trình có thể tóm tắtnhư sau:

(chất thải)-  (sản phẩm)

-Cat+ + (sản phẩm)-  sản phẩm + Cat

Một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất quang xúc tác trong đó zinc oxide ZnO, titanium dioxide TiO2, zinc titanate Zn2TiO2, cát biển, CdS là các chất cho hiệu quả cao TiO2 rất hiệu quả trong việc phân hủy chloroform và urea (Kogo et al., 1980), thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ như dimethyl phosphate (Harada et al., 1976) Cyanide (CN-) (10.6 ppm KCH, 0,01 M NaOH) có thể bị phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 350 nm (Carey and Oliver, 1980) Đầu tiên CN- bị oxy hóa thành CNO- Sau

đó hàm lượng CNO- giảm dần chứng tỏ nó tiếp tục bị oxy hóa

Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200 oA tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và nước (Nemerow và Dasgupta, 1991)

4.Phương pháp kết tủa

Khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt được tính bằng công thức: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) đượccho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho lắng, hoặc lọc Kết tủa là phương pháp thông dụng nhất để loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước thải Thường các kim loại nặng được kết tủa dưới dạng

hydroxide Do đó, để hoàn thành quá trình này người ta thường cho thêm các base vào nước thải để cho nước thải đạt đến pH mà các kim loại nặng cần phải loại bỏ

có khả năng hòa tan thấp nhất Thường trước quá trình kết tủa, người ta cần loại bỏcác chất ô nhiễm khác có khả năng làm cản trở quá trình kết tủa Quá trình kết tủa cũng được dùng để khử phosphate trong nước

5.Phương pháp oxi hoá khử

Quá trình oxy hóa khử cũng được sử dụng để xử lý các chất thải độc hại Hai bảng sau liệt kê các chất oxy hóa khử và các loại chất thải thường được áp dụng phương pháp này.

Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa

Chloride dioxide Cyanide, thuốc trừ sâu (Diquat, Paraquat)

Hypochlorite natri Cyanide, chì

Hypochlorite canxi Cyanide

Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất

hữu cơ có lưu huỳnh, Rotenone, formaldehyde

Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì

Xử lý chất thải bằng chất khử

Cr (6) SO2, muối sulfite (sodium bisulfite, sodium

metabisulfite, sodium hydrosulfite), sulfate sắt, bột sắt, bột nhôm, bột kẽm

Chất thải có chứa thủy

ngân

NaBH4Tetra-alkyl-lead NaBH4

III Xử lý chất thỉa hữu cơ bằng biện pháp sinh học

1 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ

Phân gia súc (PGS) là nguyên liệu chứa nhiều chất hữu cơ có giá trị dinhdưỡng cho cây trồng rất cao tuy nhiên có hai vấn đề cần giải quyết trước khi dungchúng như một loại phân bón:

 Làm giảm lượng nước có trong phân gia súc

 Vi sinh vật gây bệnh có trong phân không bị tiêu diệt, chúng sẽ theophân phát

tán bệnh tật ra ngoài môi trường

Việc sử dụng phân gia súc làm nguyên liệu sản xuất phân bón có những ích lợisau:

 Tận dụng toàn bộ lượng chất hữu cơ có trong chất thải, chuyển chúngthành

những chất có giá trị dinh dưỡng cao cho cây trồng

 Việc sử dụng chất thải từ phân gia súc để tái sản xuất trong nông nghiệpcòn

có một ý nghĩa rất lớn là làm sạch môi trường, loại trừ các tác động xấu do chúnggây ra

Công nghệ sản xuất phân hữu cơ nhờ VSV

Phân gia súc Làm giảm hàm lượng nước chất độn

Lên men (ủ)Phân hữu cơ

Toàn bộ công nghệ được thực hiện như sau:

1 Quá trình làm giảm hàm lượng nước

Được tiến hành theo hai bước:

Bước 1: người ta cho chất độn hữu cơ có độ ẩm thấp vào để làm giảm độ ẩm

chung của chất thải chất hữu cơ được sử dụng như chất độ ở đây vừa có tác dụnglàm giảm hàm lượng nước vừa là ngyên liệu hữu cơ cần thiết cho quá trình ủ.Khi cho chất độn hữu cơ vào chất thải chăn nuôi, phải tính toán sao cho độ ẩmcuối cùng trước khi tiến hành lên men đạt 55-60%

Các chất hữu cơ thường được sử dụng là bột lõi ngô; vỏ cà phê; mạt cưa; bộtrơm rạ chúng còn tác dụng như là một chất hữu cơ và như một chất xốp tạo điềukiện xâm nhập của oxy không khí

Bước 2: quá trình giảm độ ẩm thức sự chỉ khi tiến hành lên men Khi lên men

xảy ra, nhiệt độ khối ủ tăng lên 65-70oC, nhiệt độ cao làm nước thoát ra khỏi khối

ủ Sau 10 ngày, hàm lượng nước trong khối ủ còn lại 45% và sau 30 ngày hàmlượng nước còn lại < 30%

2 Lên men chất thải

Quá trình lên men chất thải được thực hiện trong các bể ủ, các bể ủ này đượcxây dựng bằng gạch và xi măng Nền ủ được gia cố rất chắc chắn và có lắp đặt hệthong cung cấp không khí Bể ủ thường có kích thước như sau:

Chiều ngang 6-8m

Chiều cao 2-2,5m

Chiều dài 20- 30m

Ngoài kiểu bể ủ có hệ thống thổi khí và cung cấp không khí, trên thế giới cònthiết kế loại bể ủ không có hệ thống thổi khí mà chỉ láp đặt hệ thống đảo trộn.Quá trình lên men là quá trình sinh học do các VSV có sẵn trong chất thải tiếnhành Quá trình này bao gồm:

Quá trình tăng sinh khối VSV có trong khối ủ

Đây là quá trình hiếu khí nên trong khối ủ các loài VSV hiếu khí phát triển, cácloài vi sinh vật yếm khí bị ức chế và bị tiêu diệt, các loại bào tử của vi khuẩn yếmkhí vẫn còn tồn tại trong khối lên men

Quá trình tăng sinh khối được thúc đẩy không chỉ nhờ quá trình thổi khí màcòn được thúc đẩy nhờ quá trình đảo trộn nhờ máy đảo trộn được lắp đặt trên khối

ủ Nhờ có đảo trộn mà các vi sinh vật ở trên bề mặt và ở dưới đáy bể ủ đều có cơhội tiếp xúc với oxy không khí như nhau và phát riển với tốc độ như nhau Mặtkhác, các loại chất hữu cơ sẽ được chuyển hóa ở cùng một mức độ, các loại khí,hơi nước được thoát ra ngoài nhanh hơn

Ở những bể ủ không có lắp đặt hệ thống phân phối kí, người ta thường lắp đặt

hệ thống quạt gió công nghiệp.quạt gió có tác dụng làm tăng mức độ cung cấpkhông khí cho khối ủ và làm hạ nhiệt độ của khối ủ xuống để tránh ảnh hưởng xấuđến quá trình ủ

Quá trình chuyển hóa vật chất

Quá trình ủ kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, các chất proten, polysaccharit,lipit và những chất khác nhanh chóng bị phân hủy bởi enzyme của VSV và quátrình tạo mùn xảy ra Chất thải nhanh chóng chuyển sang trạng thái ổn định

Bên cạnh quá trình phân giải bởi các enzyme phân giả, trong khối ủ chất thảigia súc có nhiều vi khuẩn tham gia quá trình vô cơ hóa chất hữu cơ Quá trình nàyrất có lợi cho cây trồng khi được bón loại phân ủ từ chất thảỉ gia súc

Quá trình ủ là quá trình mất chất dinh dưỡng do quá trình phân hủy

quá mạnh của enzyme protease amylase và những enzyme khác

Quá trình phân giải trong ủ chất thải được coi là hiệu quả khi sự phân giải nàyxảy ra không triệt để Nếu xảy ra quá trình phân giải triệt để sẽ tạo thành NH3,

H20, CO2, CH4, các loại khí khác Đây là quá trình phân giải hóa học, chính vì thếlượng cacbon, nitơ, hidro, oxy sẽ giảm, quá trình này không có lợi Tuy nhiên, cácchất trên giảm tới một giới hạn nhất định thường không giảm nữa mà tới mộtngưỡng nhất định Ở đó, tỉ lệ C/N là hợp lí để đảm bảo rằng chất lượng phân ủ đã

ổn định

Trong quá trình xử lý chất thải người ta phải xử lý mùi hôi thối

Trong chất thải chứa nhiều hợp chất dễ phân hủy nên cả trong điều kiện yếmkhí và hiếu khí, đều tạo ra rất nhiều chất khí có mùi rất khó chịu để giải quyết vấn

đề này, người ta thường áp dụng những giải pháp sau

Khi cho chất độ người ta thường cho vào đó bột gỗ có chứa tinh dầu (như bột

gỗ bạch đàn, tràm, hoặc bột lá bạch đàn, lá chàm, bột gỗ sồi, bột lá sồi…) tinh dầu

có tác dụng ức chế vi sinh vật gây thối và mùi tinh dầu được thoát ra từ cácnguyên liệu này làm hạn chế mùi hôi thối

Trong quá trình lên men và trước lên men, người ta phun chế phẩm vi sinh vật.Các vi khuẩn này là những loài thuộc nhóm vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn lactic và

vi khuẩn sắt các loài vi sinh vật này có thể làm hạn chế quá trình tạo H2S và cáckhí khác, có thể tạo pH acid pH acid sẽ làm chậm hoặc triệt tiêu sự tạo thành NH3

và một số khí thối khác

Khi cho chất thải vào bể ủ, người ta không tạo ra khối ủ có chiều dày lớn màchỉ tạo ra khối ủ có chiều dày < 30cm Điều kiện thoáng khí tối đa này cũng hạnchế quá trình tạo khí thối

2 Kỹ thuật sản xuất giun đất từ phân gia súc

Trong nhiều loài giun hiện đang có trong thiên nhiên, người ta thường sử dụnggiun tròn và giun quế để xử lý chất thải hữu cơ

Giun đất chứa hàm lượng protein rất cao, các kết quả phân tích cho thấy hàm lượng protein của giun có thể đạt đến 70% trọng lượng khô Các acid amin trong protein của giun đất khá đầy đủ và cân đối Đặc biệt trong sinh khối của giun quế

chứa rất nhiều vitamin như: thiamin, niacine, acid pantotenic, vitamin B 12 ,

pyrodocine, acid polic, biotin.

Kỹ thuật xử lý phân gia súc để thu nhận sinh khối giun quế:

 Nguyên liệu:

Nguyên liệu được sử dụng để nuôi giun quế là các loại phân gia súc, gia cầm.Ngoài các loại phân gia súc, gia cầm, giun quế còn có khả năng tiêu hủy chất thảisinh học, do đó ta có thể trộn

phân gia súc, gia cầm với

chất thải sinh học để nuôi

giun quế

Hình: Nguyên liệu thô

sau khi xử lý bằng men vi

sinh đang được nghiền

thành bột

 Kỹ thuật sản xuất

Tùy theo điều kiện, người ta xây dựng những bể xi măng hình chữ nhật cóchiều cao thành là 0,5 m cũng có thể đóng các bể bằng gỗ hình khối chữ nhật.thành bể có thể cao hơn 0,5 m để tránh hiện tượng giun thoát ra khỏi bể

Phân gia súc được nghiền nhỏ, được điều chỉnh độ ẩm đến 70% và trải đều vào

bể với kích thước chiều cao là 20m, trộn đều với giống Dùng bao bố phủ kín bềmặt, bao bố được làm ẩm thường xuyên Chỉ sau 2 - 3 ngày, ta dở bề mặt lên đãthấy nhiều giun con ngôi lên phủ khắp bề mặt khối chất thải

Trong quá trình sinh sản và phát triển của giun, có thể lượng các chất hữu cơcần thiết cho trùn sẽ hết dần, ta có thể bổ sung theo chu kỳ 7 - 10 ngày một lần.Mỗi lần đổ vào lượng chất thải mới dày khoảng 3 - 5cm cứ như vậy cho đến khilượng chất thải cần xử lý cách trên của bể khoảng 10cm để tránh giun bò ra ngoài.Nhiệt độ thích hợp nhất cho giun phát triển là từ 20o - 28oC Giun rất sợ ánh nắngnên ta cần phải che chắn chuồng thật kỹ vào ban ngày để tránh tia tử ngoại lọt vàochuồng Tuy nhiên cần phải giữ cho chuồng thoáng mát.

Khi giun đã phát triển mạnh, ta nhẹ nhàng dỡ tấm phủ và thu hoạch toàn bộgiun có trên bờ mặt khối chất thải, hoặc ta có thể tạo bẫy bằng cách là tạo một ítchất thải mới bên cạnh đống chất thải đã xử lý, khi đó giun sẽ chuyển qua và ta sẽthu nhận sinh khối trùn Ngoài ra, ta còn có thể chiếu sang khối xử lý và dồnchúng sang phía bên kia để thu hoạch

 Thu nhận sản phẩm

Xử lý phân gia súc, gia cầm bằng giun ta thu được hai loại sản phẩm:

Hình: Trùng quế

Sinh khối giun quế:

quế là nguồn dinh dưỡng

nhiều vitamin và hàm

lượng protein rất cao

người ta sử dụng giun

quế để nuôi cá, tôm, nuôi

gia cầm và nuôi gia súc

(có thể sấy khô hay nghiền nát) có giá trị kinh tế rất cao Ngoài ra giun quế cònđược các nhà khoa học xem như là nhà máy xử lý chất thải

Thu nhận phân bón: phân bón sau khi được xử lý bằng giun có giá trị dinh

dưỡng rất cao cho cây trồng

3 Sản xuất sinh khối tảo làm sạch môi trường

Đặc điểm của tảo

Tảo là vi sinh vật phát triển rộng rãi trong thiên nhiên, đặc biệt là nhưng nơi cóđầy đủ ánh sáng mặt trời, pH môi trường trung tính, có nhiều chất dinh dưỡng tảo

có nhiều loài và tốc độ sinh sản của chúng rất mạnh Đặc điểm chung của tảo nhưsau:

 Có khả năng quang hợp

 Có hàm lương protein cao

 Toàn bộ các sản phẩm quang hợp xảy ra trong tế bào và tồn trữ trong tế bào

 Phát triển mạnh trong môi trường kiềm yếu

 Có khả năng phát triển trong nước thải

Tao_Aphanizomenon Tao_Asterionella Tao_chlamydomonas

Khả năng chuyển hóa của tảo:

Khi nuôi tảo trong điều kiện có ánh sáng mặt trời, các chất hữu cơ được chuyểnhóa qua hai giai đoạn

Giai đoạn đầu là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ Quá trình này được thực

hiện bởi các loài vi khuẩn, kết quả của quá trình chuyển hóa này tạo nên sinh khối

vi khuẩn, CO2, nước và NH4

Giai đoạn thứ hai là quá trình quang hợp của tảo, tạo ra sinh khối tảo.

Như vậy, xử lý chất thải hữu cơ trong trường hợp này có sự tham gia của cả tảo

và vi khuẩn vi khuẩn thương sinh trưởng mạnh trong môi trường có pH trung tính,tảo phát triển trong môi trường kiềm yếu, do đó việc điều chỉnh pH trong quá trình

xử lý là điều cần thiết

Vai trò của vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ này là tiến hành oxy hóacác chất hữu cơ, tạo nguyên liệu vô cơ hòa tan để tảo tiến hành quá trình quanghợp Như vậy, khi xử lý chất thải hữu cơ thường xảy ra hai quá trình: quá trình vô

cơ hóa các chất hữu cơ và quá trình quang hợp

Như vậy, điều kiện cần thiết để tảo phát triển trong môi trường nhân tạo là: ánhsáng; chất vô cơ; CO2; pH= 8 - 10

Trong môi trường chất thải hữu cơ, điều kiện cần thiết cho tảo phát triển là:ánh sáng; vi khuẩn tiến hành vô cơ hóa; CO2; pH kiềm yếu

Kỹ thuật xử lý chất thải hữu cơ bằng tảo

Để xử lý chất thải hữu cơ, người ta phải thiết kế bể xử lý Trong bể xư lý đượcxây dựng các kênh cho dòng chảy và tảo phát triển Ở đầu kênh được lắp đặt mộtcánh khuấy và hệ thống cung cấp khí Nhờ cánh khuấy hoạt động, tế bào tảo sẽđược chuyển động theo dòng chảy và sẽ luôn luôn được tiếp xúc với ánh sáng mặttrời, CO2 hòa tan với các chất vô cơ và các chất hữu cơ