Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc màng vi lọc

BIOGAS Khí sinh học Biological Gas; HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic Retention Time; MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng Mixed Liquor Suspended Solid; MLVSS Hàm lượng chất hữu cơ b

-

HOÀNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH

HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

-

HOÀNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH

HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Quy

TS Trần Hùng Thuận

Hà Nội – 2013

kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác Luận văn này là một phần nghiên cứu trong đề tài cấp bộ: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc polyme hợp khối phục

vụ xử lý nước thải chăn nuôi” do TS Trần Hùng Thuận làm chủ nhiệm đề tài

Học viên HOÀNG VĂN TUẤN

Văn Quy, Trưởng phòng thí nghiệm khoa Môi trường – Đại học Khoa học Tự nhiên,

TS Trần Hùng Thuận, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu – Viện Ứng dụng Công nghệ, người đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn đề tài cấp Bộ KHCN: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc

polyme hợp khối phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi” do TS Trần Hùng Thuận

làm chủ nhiệm đề tài đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn

này Cảm ơn TS Chu Xuân Quang cán bộ Viện Ứng dụng Công nghệ, NCS Nguyễn

Sáng đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn, cùng toàn thể cán bộ phòng Vật liệu Vô cơ - Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời tri ân tới các thầy cô giáo trong và ngoài khoa Môi trường đã dìu dắt, truyền đạt kiến thức, dạy bảo tôi trong suốt thời gian theo học tại nhà trường

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân bà bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ trong thời gian qua

Xin cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Học viên HOÀNG VĂN TUẤN

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học trong xử lý nước thải 3

1.1.1 Phương pháp sinh ho ̣c ky ̣ khí trong xử lý nước thải 4

1.1.2 Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải 5

1.2 Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nước thải 5

1.2.1 Định nghĩa về màng lọc 5

1.2.2 Phân loại màng lọc 6

1.2.3 Vật liệu, cấu trúc màng, các thông số màng 9

1.3 Đặc tính nước thải chăn nuôi và thực trạng quản lý, xử lý 12

1.3.1 Tổng quan đặc tính nước thải chăn nuôi lợn [1,2,3,6] 12

1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn [5,7,9] 14

1.4 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghê ̣ MBR 23

1.4.1 Mục tiêu của hệ thống xử lý [8] 25

1.4.2 Đặc điểm các giai đoạn xử lý 26

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Phương pháp thu thâ ̣p số liê ̣u 33

2.2.2 Phương pháp phân tích đánh giá 33

2.3 Phương pháp thực nghiê ̣m 35

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng củ a các yếu tố 44

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Đặc tính của nước thải 46

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính nước thải đầu 47

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của biến thiên nồng độ bùn hoa ̣t tính 49

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực T 51

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bùn 55

3.6 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ sục khí 56

3.7 Đánh giá khả năng tách loại chất rắn lơ lửng 58

3.8 Đánh giá chất lươ ̣ng nước sau xử lý so với tiêu chuẩn nước thải 59

3.9 Quá trình lọc và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc 64

3.10 Đánh giá tính khả thi và khả năng áp dụng trong thực tế 67

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Bảng 1 So sánh các vâ ̣t liê ̣u cấu ta ̣o màng 11

Bảng 2 Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [2] 13

Bảng 3 Một số loại thực vật thuỷ sinh tiêu biểu 23

Bảng 4 Kết quả xử lý áp dụng MBR 25

Bảng 5 Đặc tính của nước thải lợn lấy tại đi ̣a chỉ xóm Múi – xã Bích Hòa 46

Bảng 6 Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào hệ xử lý 47

Bảng 7 Mật độ coliform (MPN/100 ml) trước và sau hệ xử lý 58

Bảng 8 Thông số độ đục (NTU) của nước thải đầu ra hệ xử lý 58

Bảng 9 So sánh kết quả xử lý của MBR và các phương pháp khác 64

Hình 2 Thông số các loại màng lọc 7

Hình 3 Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công nghệ MBR 9

Hình 4 Một số cấu trúc của màng 10

Hình 5 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm (kỵ) khí 15

Hình 6 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay 17

Hình 7 Quá trình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp MBR 24

Hình 8 Sơ đồ khối hê ̣ xử lý 35

Hình 9 Sơ đồ cấu ta ̣o hê ̣ thống 36

Hình 10 Sơ đồ cấu ta ̣o bể đầu vào 37

Hình 11 Sơ đồ cấu ta ̣o bể yếm khí 37

Hình 12 Sơ đồ cấu ta ̣o bể thiếu khí 38

Hình 13 Giá thể vi sinh trong bể yếm khí 39

Hình 14 Sơ đồ bể hiếu khí 39

Hình 15 (a) Nguyên lý làm việc của sợi màng 41

Hình 13 Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý của nước thải qua hệ xử lý 48

Hình 14 Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý COD,N-NH4+ theo sự biến thiên 49

Hình 15 Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO3-, N-NO2- theo sự biến thiên 50

Hình 16 Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý COD với các 52

Hình 17 Đồ thị biến thiên hiệu suất xử lý N-NH4+ với các 53

Hình 18 Đồ thị biến thiên nồng độ N- NO3- với các 53

Hình 19 Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO2- với các 54

Hình 20 Đồ thị biến thiên áp suất màng khi thay MLSS 55

Hình 23 Đồ thị biến thiên giá trị COD trong hệ xử lý 60

Hình 24 Đồ thị biến thiên nồng độ NH4 trong hệ xử lý 61

Hình 25 Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO3- trong hệ xử lý 62

Hình 26 Đồ thị biến thiên nồng độ N-NO2- trong hệ xử lý 62

Hình 27 Đồ thị biến thiên nồng độ TP trong hệ xử lý 62

Hình 28 Hình ảnh hiện tượng bùn bám gây tắc màng lọc (trái) 65

Hình 29 Các phương pháp làm sạch màng 67

BIOGAS Khí sinh học (Biological Gas);

HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time);

MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended

Solid);

MLVSS Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (Mixed Liquor Volatile

Suspended Solid;

MBR Hệ thống xử lý vi sinh của nước thải bằng công nghệ lọc

màng (Membrance Bio Reacto);

SRT Thời gian lưu bùn (Sludge retention time);

TP Tổng phốtpho (mg/L);

QCVN Quy chuẩn Việt Nam;

TCVN Tiêu chuần Việt Nam;

TVTS Thực vật thủy sinh;

UASB Upflow anearobic sludge blanket - bể xử lý sinh học dòng

chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí;

VSV Vi sinh vật;

XLNT Xử lý nước thải

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nóng bỏng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng cuộc sống của con người và môi trường sống xung quanh 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 xử

lý nước thải đã gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng [8]

Nước thải chăn nuôi là nguồn thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, virus, vi trùng, trứng giun sán… Nguồn thải này có nguy cơ gây ô nhiễm tầng nước mặt, nước ngầm và trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc Đồng thời có thể lây lan một số bệnh cho người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vì nước thải chăn nuôi thường có hàm lượng nitơ và phôtpho rất cao và khó

xử lý triệt để Nước thải chứa nhiều nitơ và phốtpho sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng (khi nước có hàm lượng nitơ lớn hơn 30-60 mg/l, phốtpho lớn hơn 4-8 mg/l) Phú dưỡng là sự gia tăng lượng nitơ và phốtpho trong nguồn nước ở các thuỷ vực, gây ra

sự bùng phát các thực vật bậc thấp (tảo, rong,…) Vì vậy, tuy các hợp chất nitơ và phốtpho là hết sức cần thiết cho sự sinh trưởng của các sinh vật thuỷ sinh, nhưng khi hàm lượng các chất này vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì nó lại gây ô nhiễm cho nguồn nước

Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi lợn 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 [3] Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi lợn còn có chứa COD, T-N, T-P, cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép [1,3] Chính vì vậy có thể thấy rằng ở nước

ta, một thực trạng là vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua hoặc bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả và bền vững Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với nguồn nước thải đặc thù này Nói cách khác các

mô hình xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy định của tiêu chuẩn ngành chăn nuôi

Chính vì vậy, việc lựa chọn và thực hiên đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu ô

nhiễm từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc màng vi lọc” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm phát triển nghiên cứu và ứng

dụng công nghệ tiên tiến xử lý nước thải trong lĩnh vực bảo vệ môi trường tại Việt Nam

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nghiên cứu khảo sát các thông số cơ bản của quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng vi lọc;

- Đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý quy mô phòng thí nghiệm (công suất

thiết kế khoảng 45 L/ngày);

- Đánh giá tính khả thi và khả năng áp dụng thực tế của hệ thống xử lý

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN1.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học trong xử lý nước thải

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại [5,8,10]:

- Phương pháp yếm khí, kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy;

- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh gọi là quá trình oxy hó a sinh hóa trong hệ thống xử lý nước thải Đề thực hiê ̣n quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoa ̣n chính như sau:

- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mă ̣t tế bào sinh vâ ̣t ;

- Khuếch tán từ bề mă ̣t tế bào qua màng bán thấm so sự chênh lê ̣ch nồng đô ̣ bên trong và bên ngoài tế bào;

- Chuyên hóa các chất trong tế bào vi sinh vâ ̣t , sản sinh năng lươ ̣ng và tổng

hơ ̣p tế bào mới

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý

Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng

1.1.1 Phương pha ́ p sinh học ky ̣ khí trong xử lý nước thải

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

ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiê ̣n ky ̣ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau [5,8,10]:

Vi sinh vâ ̣t

Chất hữu cơ CH 4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

- Giai đoạn 2: acid hóa;

- Giai đoạn 3: acetate hóa;

- Giai doạn 4 trong quá trình kị khí xử lý nước thải: methan hóa

Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrate Vi sinh vật chuyển hóa methan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như

CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí trong xử lý nước thải thành:

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB);

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process)

1.1.2 Phương pha ́ p xử lý sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn [4,5]:

- Oxy hóa các chất hữu cơ;

- Tổng hợp tế bào mới;

- Phân hủy nội bào

Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí trong bể xử lý nước thải có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình

xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làmthoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate với màng cố định

1.2 Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nước thải

1.2.1 Định nghĩa về màng lo ̣c

Màng được định nghĩa là một thiết bị tạo ngăn cách, cho phép tách chọn lọc các hợp chất Nói cách khác, một màng lọc ngăn cản chuyển động khối nhưng nó lại cho phép một hoặc nhiều chất đi qua Tách bằng màng được thực hiện theo nguyên

lý vật lý, có nghĩa là những thành phần được tách không có bất kỳ thay đổi nào về hoá học hoặc nhiệt [8,15,16]

Quá trình hoạt động của màng được thể hiện trên Hình 1

Hình 1 Quá trình tách bằng màng 1.2.2 Phân loại màng lọc

Màng lọc có thể được phân loại theo :

- Theo kích thước lỗ: màng 0,1 µm, màng 2 nm …;

- Theo vật liệu màng: màng polyme, màng gốm, màng kim loại …;

- Theo cơ cấu lọc: màng phẳng, màng cuốn, ống thẳng, sợi rỗng – bó sợi …;

- Theo cơ chế lọc: 2 cơ chế lọc theo kích thước (MF, UF) và khuếch tán (RO), trung gian: NF;

- Phân loại theo động lực của quá trình:

1 Áp lực: RO, NF, UF, MF; tách- lọc khí; màng tách hơi (pervaporation);

2 Thể hóa học: (dialys – thẩm tách, Donan dialys, màng chưng cất); chiết màng (tách dung môi);

3 Điện thế: điện thẩm tách

4 Chênh lệch nhiệt độ: chưng cất màng

Hình 2 Thông số các loại màng lọc

Thông thường, màng lọc MF có kích thước lỗ khoảng 0,1 - 10µm, màng UF

là 0,002 – 0,1 µm, còn màng NF và RO có kích thước lỗ nhỏ hơn rất nhiều so với

MF và UF Do đó, quá trình MF và UF có thể có độ thấm cao hơn với áp suất sử dụng nhỏ hơn so với quá trình NF và RO Hơn nưa, với cơ chế tách loa ̣i , màng áp suất thấp (MF và UF) có thể hình dung như một cái rây lọc nên dẫn đến lỗ rỗng lớn hơn, trong khi màng lo ̣c áp suất cao (NF và RO ) không đơn thuần chỉ phân lo ại dựa theo kích thước

 Màng tinh lọc

Tinh ( vi ) lọc (MF) dùng để loại bỏ các cặn có kích thước lớn, các đại phân tử được tách ra từ các phân tử lớn khác, protein, hay các mảnh vỡ tế bào Ứng dụng quan trọng trong lọc nước đơn giản ở các chu trình cuối, ví dụ dùng trong lọc nước

ép trái cây, sữa, rượu vang, bia và dược phẩm vô trùng Màng tinh lọc hoạt động ở

áp suất tương đối thấp

 Màng lọc Nano

Màng lọc Nano (NF) có kích thước lỗ khoảng 0,001 micron Có chức năng tương tự như màng thẩm thấu ngược, nhưng thường được sử dụng để loại bỏ các ion đa hóa trị, các chất hữu cơ đơn phân tử, gần như tất cả các virus, hầu hết các vật chất hữu cơ tự nhiên và các muối Các ion đơn trị như Na, Cl sẽ đi qua nó, do đó nó thường được sử dụng cho quá trình tiền lọc trong khử muối nước mặn Trong xử lý nước, màng NF có thể được sử dụng để làm mềm nước, loại bỏ thuốc trừ sâu, khử màu

 Màng thẩm thấu ngƣợc

Màng thẩm thấu ngược (RO) có kích thước lỗ khoảng 0,0001 micron Ngoài việc loại bỏ tất cả các phân tử hữu cơ và virus, màng RO loại bỏ hầu hết các ion đơn trị, các khoáng chất có mặt trong nước do đó màng RO được ứng dụng phổ biến trong khử muối, khử mặn, khử khoáng để sản xuất nước tinh khiết với tính kinh tế cao hơn so với phương pháp chưng cất

1.2.3 Vật liệu, cấu trúc màng, các thông số màng

Các màng lọc được sử dụng phổ biến nhất là màng gốm và màng polyme Nói chung, các màng polyme không đắt còn màng gốm có đặc điểm là độ bền đối với hoá chất cao Nhiều dạng modun khác nhau của màng polyme đã được sử dụng trong xử lý nước thải [8]

Các vật liệu màng lọc polyme phổ biến hiện nay được dùng trong hệ thống MBR có thể kể đến như polysulfone, polypropylene, polyetylene, polyvinylidene fluoride Tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, dạng hình học của modun và màng có thể được chế tạo khác nhau cho ứng dụng thực thế chủ yếu ở hai dạng tấm phẳng (flat

sheet) và sợi rỗng (hollow fibre) như thể hiện trong Hình 3

Hình 3 Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công nghệ MBR

a) modul màng lọc dạng tấm phẳng; b) modul màng lọc dạng sợi rỗng

Khi chọn vật liệu màng lọc để ứng dụng cho một số quá trình tách, chúng ta cần phải lưu ý đến một số tiêu chí như độ bền với hoá chất, tính hấp phụ v.v Bên cạnh các sản phẩm tự nhiên như là xenlulo axetat, các vật liệu polyme khác như polyamit, polysulfon, polypropylen và polyetylene cũng như các vật liệu gốm thường được sử dụng Tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, những ưu và nhược điểm của các loại vật liệu khác nhau cần được so sánh và đánh giá Mặc dù màng lọc gốm

có một số ưu thế hơn so với màng polyme, nhưng ngày nay các hệ màng ngập nước

thường được chế tạo bởi cỏc vật liệu polyme bởi vỡ thành phần hoỏ học của những vật liệu này cú thể dễ dàng thay đổi để đỏp ứng cỏc yờu cầu khỏc nhau nhằm tiết kiệm chi phí Cấu trỳc bề mặt của cỏc màng lọc cú ảnh hưởng quyết định đến tính chọn lọc và khả năng thẩm thấu cũng như cỏc tính chất cơ học như là sức bền đối với ỏp suất Một số cấu trỳc màng lọc (đồng nhất, khụng đồng nhất, hay kết hợp) được trỡnh bày ở hỡnh 1.3

Lớp tách

và đỡ

Lớp phân cách Giá

Hỡnh 4 Một số cấu trỳc của màng

Màng lọc đồng nhất cú đường kính lỗ xốp đồng đều trong khi đú đường kính

lỗ xốp của màng khụng đồng nhất biến đổi, những lỗ xốp nhỏ hơn quyết định quỏ trỡnh lọc hệ lơ lửng Hai loại màng trờn cú thể được chế tạo từ một loại vật liệu trong khi màng kết hợp composit cú ít nhất hai lớp (cú thể được chế tạo từ cỏc vật liệu khỏc nhau) Ngược lại với màng lọc đồng nhất và khụng đồng nhất, đối với màng kết hợp cơ chế tỏch được diễn ra trờn một lớp trong khi lớp còn lại chịu tỏc động lực cơ học (chức năng đỡ) Tuỳ thuộc vào yờu cầu kỹ thuật, dạng hỡnh học của module và màng cú thể được chế tạo khỏc nhau cho ứng dụng thực thế

Màng dạng sợi và ống mao dẫn, quỏ trỡnh lọc thực hiện từ ngoài vào trong do cỏc sợi màng cú đường kính từ 0,2 đến 4 mm nờn cỏc hạt bẩn cú thể gõy tắc dòng chảy

Một modun màng sợi hay mao quản cú thể gồm nhiều bú màng lọc, bú màng bao gồm một số lớn cỏc sợi màng lọc được bú lại và cố định hai đầu nơi thu nước Cỏc màng lọc dạng sợi và dạng mao quản núi chung được chế tạo từ polyme mặc dự một số màng lọc mới phỏt triển được làm từ gốm Màng lọc dạng ống và tấm phẳng

có thể được làm từ nhiều vật liệu hữu cơ và vô cơ So sánh các loại vật liệu cấu tạo màng được thể hiện trong Bảng 1

Bảng 1 So sánh các vật liê ̣u cấu tạo màng

UF, đệm cho

RO PSU,

học tốt và chịu nhiệt và chịu hóa chất Nhươ ̣c điểm ở chỗ bản chất của chúng là ki ̣ nước nên dẫn đến dễ đóng că ̣n trên bề mă ̣t màng

1.3 Đặc tính nước thải chăn nuôi và thực trạng quản lý, xử lý các nguồn nước thải chăn nuôi tại Việt Nam

1.3.1 Tổng quan đă ̣c tính nước thải chăn nuôi lợn [1,2,3,6]

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

Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi lợn 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 [8] Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi lợn còn có chứa COD, T-N, T-P, cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép (Bảng 2) [1,2]

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]:

Bảng 2 Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [2]

Trại Thụy Phương

Trại Tam Điệp

Trại Gia Nam

Trại Hồng

BOD5 mg/l 1339,4 1080,7 882,3 783,4 1221,2 1061,40 ± 278 COD mg/l 3397,6 2224,5 1924 1251,6 2824,5 2324,6 ± 1073

TDS mg/l 4812,8 4568,4 3949 4012,8 4720,4 4412,8 ± 400

TP mg/l 99,4 80.2 69,4 57,4 85,6 78,40 ± 21

TN mg/l 332,8 280,1 250,9 204,8 275,4 268,80 ± 64 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

 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

1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn [5,7,9]

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

cơ sở chăn nuôi

b Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí [4,5]

 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 xử lý nước thải 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 (yếm khí) 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 được

mô tả trên Hình 5 [3,5]

Hình 5 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm (kỵ) khí

 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 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 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

 Phương pháp XLNT chăn nuôi bằng kỵ khí

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 [4,5,7,8]

Hình 6 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay đối với cơ sở chăn nuôi (A) quy mô nhỏ, (B) quy mô vừa và lớn

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

Hồ kỵ khí [4,5,7]

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 :

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 [4]

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) [6]

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

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

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 [5,9] thấp hơn so với bể UASB

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

 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 Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N)+CO2 + H2O - H

- Phân hủy nội bào:

C5H7O2N + O2 Enzyme  5CO2 + 2H2O + NH3H

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

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

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% [5,9]

+ 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% [5,9]

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,

+ 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

Một số thực vật thủy sinh được đưa ra trog Bảng 3

Bảng 3 Một số loại thực vật thuỷ sinh tiêu biểu

Loại Tên thông thường Tên khoa học

Thuỷ sinh vật sống chìm

Hydrilla Hydrilla verticilata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thuỷ sinh vật sống trôi nổi

Lục bình Eichhornia crassipes

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

Thuỷ sinh thực vật sống nổi

Sậy Phragmites communis

1.4 Xư ̉ lý nước thải chăn nuôi bằng công nghê ̣ MBR (membrane bioreactor) (sinh học kết hợp lọc màng) [4,8,11]

So với xử lý nước thải thông thường, MBR cung cấp một số ưu điểm Màng lọc như một hàng rào ngăn cản tuyệt đối đối với chất rắn lơ lửng và do đó hệ thống

có thể hoạt động ở nồng độ bùn cao MBR có thể chạy với thời gian lưu bùn (SRT) dài, thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật phát triển chậm dẫn đến loại bỏ tốt hơn các chất hữu cơ khó xử lý và hiệu quả nitrat hóa tốt hơn Và công nghệ này đáp ứng chất lượng đầu ra cao, khử trùng hoàn hảo, có độ tin cậy cao và lượng bùn sinh

ra ít nhất.Nồng độ MLSS cao, hiệu quả nitrat hóa và khử nitrat đạt được cao mà không cần phải mở rộng diện tích

Quá trình xử lý bằng phương pháp MBR được thể hiện trong Hình 7 [8]:

Hình 7 Quá trình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp MBR

Bể sinh học bao gồm một chuỗi thiếu khi-hiếu khí rồi hiếu khí không liên tục – hiếu khí, mục đích là để loại bỏ nitơ, phốt pho và các hợp chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi Các màng làm từ vật liệu polysulfone, polyvinylidene difluoride…; diện tích bề mặt màng là 1 m2 Năng suất lọc 12 L/(m2giờ) HRT tối đa của bể thiếu khí, hiếu khí, hiếu khí không liên tục và hiếu khí tương ứng là 5.3, 3.3, 5.9 và 4.2 ngày Tỉ lệ quay vòng bên trong tương ứng của #1, #2, #3 từ 860% đến 1.060%, và duy trì ở 150% và 100%.MLSS dao động trong khoảng 4.040 và11.100mg/ L, và

nhiệt độ tại bể phản ứng sinh học dao động từ 25,3 oC- 40,2 oC Thời gian lưu bùn (SRT) khoảng 24 đến 61 ngày

Kết quả loại bỏ BOD, CODMn, SS, TN, TP thể hiện trong Bảng 4

Bảng 4 Kết quả xử lý áp dụng MBR

(mg/L)

Trung bình (mg/L) Hiệu suất

để có được hiệu quả xử lý tốt hơn, đáp ứng được yêu cầu chất lượng nước bằng việc kết hợp công nghệ màng để tách sinh khối và SS, thay vì quá trình lắng bậc hai theo phương pháp truyền thống

Ngoài ra sử dụng màng lọc cho hệ thống xử lý còn mục đích giảm thất thoát bùn trong bể đồng thời tách bùn ra khoải hệ thống một cách nhanh chóng và hiệu quả

1.4.2 Đặc điểm các giai đoạn xử lý

a Giai đoạn sinh học [5,9,11]

Quy trình hoạt động có thể là liên tục 1 bể hoặc có thể gần tương tự như bể SBR và gián đoạn do đó số bể 2 tuỳ thuộc vào lưu lượng nước thải cần xử lý và cấu hình bể lựa chọn Ở giai đoạn này chủ yếu tạo phản ứng sinh hoá trong bể phản ứng, đây cũng là thời điểm xảy ra các quá trình phân huỹ chất ô nhiễm trong hệ phản ứng được sục khí bằng bong bóng bọt nhỏ mịn, DO trong bể hiếu khí duy trì tốt nhất từ 2 - 4 mg/L

Oxy hoá các chất hữu cơ:

Với : CxHyOzN là công thức tổng quát của chất hữu cơ

C5H7NO2 là thành phần hoá học của vi sinh vật (VSV), biểu thị thành phần tế bào VSV ở thời điểm hô hấp nội bào

Khi làm thoáng các tế bào VSV tiếp xúc với nước thải có chất hữu cơ sẽ diễn

ra quá trình tiếp xúc và hô hấp hoạt tính, lúc đó thành phần hoá học của tế bào là

CxHyOzN- C5H7NO2 Nếu tiếp tục làm thoáng, thành phần chất hữu cơ sẽ bị oxy hoá, VSV trong bùn hoạt tính sẽ sử dụng các chất đã hấp thụ được để thực hiện quá trình trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển

Hô hấp nội bào:

Nếu quá trình oxy hoá diễn ra đủ dài thì sau khi sử dụng các chất hữu cơ có sẵn thì mới bắt đầu quá trình chuyển hoá các chất của tế bào

Chất hữu cơ -> lên men

yếm khí

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

C5H7NO2  NH3 + 5CO2 + 2H2O + ∆H Hay: C5H7NO2 + 5O2  NH3 + 5CO2 + 2H2O + ∆H

Quá trình nitrat hoá:

NH3 (NH4+) + O2  NO2 + O2  NO3

Quá trình khử Nitrat: nitrate được chuyển thành khí Nitơ trong điều kiện thiếu khí và kỵ khí:

2NO3- + 2(H2) 2NO2- +2H+ +2H2O 2NO2- + 3(H2) N2 + 2OH- +2H2O

Chuyển hóa S,P: S

Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý sinh học

 Nhiệt độ:Nhiệt độ ảnh hưởng tới độ hoà tan oxy trong nước thải; ảnh hưởng

tới sự thoát khí trong hệ thống xử lý; tới sự sống và khả năng trao đổi chất của

VSV

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tới quá trình xử lý sinh học được biểu thị dưới dạng biểu thức:

kT = k20.θT-20max

T

 = 20max.e k.(T-20)Trong đó: k20 : hệ số tốc độ phân huỷ ở 200C

KT : hệ số tốc độ phân huỷ ở T0C

T : Nhiệt độ (0C)

 pH: pH ảnh hưởng tới độ hoạt hoá enzym của VSV

Động lực của pH được mô tả : pHmax= pH o p tmax

pH

pH

k I k



KpH là hằng số

I = 10pH optpH 1Thường thì trong hệ thống nước thải : kpH = 150 – 250

I s

k

I k s

ks : hằng số bán bão hòa đối với chất ức chế I

ks’ : hằng số bán bão hòa đối với cạnh tranh

Chất kìm hãm không cạnh tranh

Ảnh hưởng tới động lực tăng trưởng bằng việc giảm tốc độ tăng trưởng riêng

μ’max = μmax

I

k I

k

 và μ = μmax

) 1 ).(

(

I s

k

I k

Ngoài ra hiệu quả quá trình xử lý còn chịu ảnh hưởng của các chất độc như: kim loại nặng (Hg, As, Cd, Cu, Pb, Ni, Cr ), các chất oxy hóa mạnh (KMnO4,

H2O2 ), các chất axit và kiềm

b Giai đoạn lọc màng

Sau khi qua giai đoạn xử lý sinh học, tiếp đến là giai đoạn lọc qua màng Màng hoạt động nhờ vào áp lực hút do bơm tạo ra để đưa nước sạch ra ngoài bể và dẫn đi sử dụng cho các mục đích khác nhau hoặc thải ra nguồn tiếp nhận ở giai đoạn này cần có thiết bị đo áp lực qua màng dựa vào lượng nước sạch lấy ra Đồng thời kiểm soát vận hành của màng đảm bảo sao cho tránh bị hụt hay vỡ 1 nơi nào

đó

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tách loại của quá trình lọc màng

 Kích thước mao quản: xét đến yếu tố tắc nghẽn màng liên quan đến đặc điểm

chất tan và thành phần hạt trong dung dịch Để có được độ thấm thích hợp và hiệu quả xử lý, cũng như làm giảm hay tăng trở lực cho màng khi nước thấm qua liên quan đến năng lượng hoạt động Vì vậy trong hệ MBR thường dùng màng UF hoặc

MF dành cho xử lý nước thải trong MBR sau đó nếu xử lý tiếp theo mới dùng màng

RO

 Bản chất và nồng độ của chất ô nhiễm: màng lọc nước phụ thuộc trực tiếp

vào chất lượng nước liên quan đến quá trình tiền xử lý và để vận hành màng ở điều kiện phù hợp

 Nồng độ sinh khối: nồng độ MLSS liên quan trực tiếp đến sự ô nhiễm màng

Nếu MLSS tăng cao thì làm giảm tính thấm cho màng Trong màng nồng độ MLSS

có thể lên tới mức cảnh báo giới hạn là 30 g/L, thường nồng độ này tối ưu ở 8 - 12

g/L dễ dàng kiểm soát các điều kiện thuỷ động lực ở nồng độ 15 - 18g/L đã có dấu hiệu giảm tính thấm rõ rệt

 Độ nhớt: độ nhớt làm cho tính thấm tăng hay giảm và liên quan đến màng

hoạt động ở 1 nồng độ MLSS nhất định, theo kết quả thử nghiệm Itonaga et al 2004 thì giá trị MLSS từ 10 – 17 g/l độ nhớt chưa có dấu hiệu ảnh hưởng rõ đến tính thấm

 Nhiệt độ: ảnh hưởng đến màng lọc thông qua độ nhớt và đến tính thấm

Nhiệt độ tăng độ nhớt giảm, và nhiệt độ ảnh hưởng đến dòng thấm qua màng:

 20 

20 1, 025T

J – dòng thấm qua ở nhiệt độ nước thải T

J20 – dòng thấm qua ở nhiệt độ 20 độ C

 DO: trong màng DO cấp cho VSV hoạt động và phục hồi tính thấm cho

màng Trong hệ MBR thường trong bể phản ứng sục khí bằng bong bóng mịn làm tăng hiệu quả hoà tan Oxi, còn trong màng thường thông khí bằng bọt thô để làm thông màng do đó mà DO thấp làm giảm khả năng hấp thụ của VSV trong màng

Ƣu điểm và hiệu quả xử lý của công nghệ lọc màng

Một MBR cổ điển bao gồm một ASP đi đôi với phân tách sinh khối bằng quá trình màng sử dụng phổ biến là màng vi lọc và siêu lọc, hiệu quả nhất ở kích thước mao quản < 0,1µm, hiệu quả làm sạch và khử trùng chất thải, bên cạnh đó có thể giảm kích thước bể và tăng hiệu quả của quá trình xử lý sinh học Chất lượng nước

có độ tinh khiết cao đối với các thành phần hữu cơ hòa tan và amoni, khắc phục được những yếu điểm trong quy trình ASP Với những ưu điểm sau như sau:

 MBR đã được chứng minh với một hiệu quả khá cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiểm hữu cơ và vô cơ, kể cả các VSV trong nước thải

 Quá trình kiểm soát tốt các điều kiện thủy lực HRT và SRT tối ưu Đối với quá trình bùn hoạt tính truyền thống HRT từ 8 – 28h, còn trong MBR thường từ 6- 10h -> do đó giảm được kích thước bể