Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng

Chính vì vậy, để có thể bố trí các đơn nguyên phù hợp trong hệ thống công nghệ MBR và xác định được các điều kiện vận hành tối ưu nhằm khắc phục được các tồn tại trên, để xử lý hiệu quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự

hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ “Nghiên cứu chế tạo môđun màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi” do TS Trần Hùng Thuận làm chủ nhiệm đề tài, mà trong đó tôi là thành viên tham gia và đã trực tiếp thực hiện Các kết quả trong luận án này là trung thực và đã được chủ nhiệm đề tài TS Trần Hùng Thuận cho phép sử dụng

Tác giả luận án

Nguyễn Sáng

LỜI CẢM ƠN

Tôi cảm ơn sâu sắc PGS TS Trần Văn Quy – Giảng viên cao cấp Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS Trần Hùng Thuận – Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ, đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi cảm ơn TS Chu Xuân Quang – Trưởng phòng Công nghệ và Vật liệu môi trường, các đồng nghiệp Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, đã luôn quan tâm, chia sẻ và góp ý về chuyên môn, cũng như động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi gửi lời tri ân tới quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ Môi trường cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong và ngoài Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cơ quan bố mẹ và gia đình tôi … đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và học tập

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Sáng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 14

1.1 Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam 14

1.2 Khối lượng và đặc tính nước thải chăn nuôi 15

1.3 Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường 19

1.4 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam 19

1.4.1 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới 19

1.4.2 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam 32

1.5 Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng 36

1.5.1 Các giai đoạn xử lý 36

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lọc của màng lọc 41

1.5.3 Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc và giải pháp làm sạch màng lọc 45

1.6 Hiện trạng ứng dụng công nghệ MBR ở Việt Nam 48

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

2.1 Đối tượng nghiên cứu 52

2.1.1 Nước thải chăn nuôi lợn 52

2.1.2 Môđun màng lọc 52

2.1.3 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu 53

2.2 Phạm vi, quy mô nghiên cứu 53

2.3 Phương pháp nghiên cứu 53

2.3.1 Phương pháp luận nghiên cứu 53

2.3.2 Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu 53

2.3.3 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu 54

2.3.4 Xác định thành phần, đặc tính nước thải chăn nuôi lợn 56

2.3.5 Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính 56

2.3.6 Lắp ghép môđun màng lọc polyme 57

2.3.7 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tắc nghẽn màng lọc 62

2.3.8 Khảo sát xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nước thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm 66

2.3.9 Khảo sát các điều kiện vận hành mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi 71

2.3.10 Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống khi vận hành với các điều kiện đã lựa chọn 72

2.3.11 Tính toán sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng 73

2.3.12 Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc 73

2.3.13 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 73

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 75

3.1 Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu 75

3.2 Sự thích nghi và đặc tính bùn hoạt tính 76

3.3 Ảnh hưởng của một số các yếu tố vận hành lọc đến quá trình tắc màng 82

3.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu màng lọc dạng tấm phẳng 82

3.3.2 Ảnh hưởng của hình thái môđun màng lọc sợi rỗng 84

3.3.3 Ảnh hưởng của cường độ sục khí 86

3.3.4 Ảnh hưởng của năng suất lọc 88

3.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính 90

3.4 Xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nước thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm 92

3.4.1 Lựa chọn thời gian lưu nước các bể theo kiểu mẻ 92

3.4.2 Xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm 96 3.5 Ảnh hưởng của các điều kiện vận hành mô hình hệ thống đến hiệu quả xử lý 98 3.5.1 Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào 98

3.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tuần hoàn nước đến hiệu quả xử lý nitrat 103

3.6 Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm 107

3.6.1 Khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng 109

3.6.2 Năng xuất xử lý và tải lượng COD, NH 4 + của mô hình hệ thống 123

3.6.3 Khả năng loại bỏ chất rắn và vi khuẩn 127

3.7 Sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng 128

3.8 Quá trình lọc màng và xử lý tắc nghẽn màng lọc 131

3.8.1 Quá trình lọc màng và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc 131

3.8.2 Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc 133

3.9 Tính toán chi phí và khả năng ứng dụng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng vào xử lý nước thải chăn nuôi 136

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

PHỤ LỤC 151

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AO Yếm khí kết hợp hiếu khí (Anaerobic Oxic) AUBF Bể với giá thể yếm khí dòng chảy ngược (Anaerobic

Upflow Bed Filter) Anammox Phản ứng ôxy hóa yếm khí amoni (Anaerobic Ammonium

Oxdation) BNNPTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn BOD Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BHT Bùn hoạt tính

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường COD Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO Ôxy hòa tan (Dissolved Oxygen) HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International

Cooperation Agency) MBR Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrane Bioreactor) MLSS Nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất

lỏng/rắn/huyền phù (Mixed Liquor Suspended Solids) MLVSS Nồng độ chất rắn dễ bay hơi trong hỗn hợp chất lỏng/rắn/

huyền phù (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids) Ncs Nhóm cộng sự

QCVN Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ kế tiếp (Sequencing Batch

Reactor)

SS Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) SRT Thời gian lưu bùn (Solid Retention Time) SVI Chỉ số thể tích lắng của bùn (Sludge Volume Index) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TP Tổng phôtpho UASB Bể với lớp bùn yếm khí dòng chảy ngược (Upflow

Anaerobic Sludge Blanket) VSV Vi sinh vật

XLNT Xử lý nước thải

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Sự thay đổi về số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2012 – 2015 14

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100 kg 16

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg 17

Bảng 1.4 Hiệu suất xử lý của hệ thống đất ngập nước Cooper County Hog Farm, Australia 20

Bảng 1.5 Hiệu suất và tải lượng xử lý của hệ thống đất ngập nước ở Leping, Trung Quốc 21

Bảng 2.1 Đặc điểm các loại vật liệu màng 52

Bảng 2.2 Phương pháp phân tích và thiết bị sử dụng 55

Bảng 3.1 Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sử dụng trong nghiên cứu 75

Bảng 3.2 Độ bền kéo của các loại vật liệu màng 83

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể yếm khí đến hiệu quả xử lý COD 93

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể hiếu khí đến hiệu quả xử lý COD và NH4+-N 94

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể thiếu khí 95

đến hiệu quả xử lý NO3- - N và COD 95

Bảng 3.6 Lưu lượng đầu vào các bể 99

Bảng 3.7 Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các lưu lượng đầu vào khác nhau 99

Bảng 3.8 Lưu lượng vào các bể với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau 104

Bảng 3.9 Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau 105

Bảng 3.10 Mật độ coliform trước và sau khi xử lý 127

Bảng 3.11 Độ đục của nước thải trước và sau khi xử lý 127

Bảng 3.12 Áp suất qua màng sau khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl khác nhau 134

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình Ludzack – Ettinger 26

Hình 1.2 Mô hình Bardenpho 26

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống Nix-MBR-HT 30

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình công nghệ MBR trong xử lý nước thải 40

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát phương pháp nghiên cứu 54

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống nuôi bùn hoạt tính hiếu khí 57

Hình 2.3 Môđun màng tấm phẳng đã được lắp ghép 58

Hình 2.4 Khung đầu gắn màng và đĩa đục lỗ 59

Hình 2.5 Môđun màng sợi rỗng 60

Hình 2.6 Khung đỡ môđun màng 61

Hình 2.7 Môđun màng sợi rỗng đã được lắp ghép 61

Hình 2.8 Mô hình bể hiếu khí tích hợp màng lọc 63

Hình 2.9 Một số hình thái môđun màng lọc dạng sợi rỗng đã được lắp ghép 64

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống xử lý 69

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo bể thiếu khí và hình ảnh giá thể sử dụng trong bể 70

Hình 3.1 Sự thay đổi MLSS và SVI theo thời gian 77

Hình 3.2 Sự thay đổi của MLSS và tỉ số MLVSS/MLSS theo thời gian 78

Hình 3.3 Sự thay đổi của pH theo thời gian 79

Hình 3.4 Sự thay đổi của COD và hiệu suất xử lý COD theo thời gian 80

Hình 3.5 Sự thay đổi của nồng độ NH4+ - N và hiệu suất xử lý theo thời gian 81

Hình 3.6 Sự thay đổi áp suất qua màng dạng tấm phẳng theo thời gian với từng loại vật liệu màng khác nhau 82

Hình 3.7 Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với các hình thái môđun màng sợi rỗng khác nhau 84

Hình 3.8 Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với cường độ sục khí khác nhau 86

Hình 3.9 Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian phụ thuộc vào năng suất lọc 89

Hình 3.10 Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian phụ thuộc vào nồng độ

BHT khác nhau 91

Hình 3.11 Mô hình hệ xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm 98

Hình 3.12 Hiệu suất xử lý COD theo các lưu lượng đầu vào khác nhau 100

Hình 3.13 Hiệu suất xử lý NH4+-N theo các lưu lượng đầu vào khác nhau 102

Hình 3.14 Diễn biến NH4+-N và NO3- -N với các tỷ lệ dòng tuần hoàn nước khác nhau 105

Hình 3.15 Sơ đồ khối mô hình hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô phòng thí nghiệm 108

Hình 3.16 Sự thay đổi pH trong các bể xử lý theo thời gian 109

Hình 3.17 Sự thay đổi COD qua các bể theo thời gian 111

Hình 3.18 Sự thay đổi NH4+ -N qua các bể theo thời gian 115

Hình 3.19 Diễn biến tỷ số NH4+ - N/MLSS theo thời gian 116

Hình 3.20 Sự thay đổi NOx--N đầu ra theo thời gian 118

Hình 3.21 Hiệu suất xử lý TN theo thời gian 120

Hình 3.22 Sự thay đổi TP qua các bể theo thời gian 121

Hình 3.23 Quan hệ giữa tải lượng đầu vào và năng suất xử lý COD 125

Hình 3.24 Quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lý amoni 126

Hình 3.25 Sơ đồ biểu diễn cân bằng khối lượng trong bể MBR 128

Hình 3.26 Biến thiên áp suất qua màng lọc theo thời gian 131

Hình 3.27 Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian sau khi làm sạch bằng NaOCl 135

Hình 3.28 Mặt bằng trạm xử lý nước thải chăn nuôi lợn 138

Hình 3.29 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 138

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của ngành chăn nuôi tại Việt Nam, đã góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, ngành chăn nuôi đã và đang làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên do nước thải từ các trang trại đưa vào nguồn tiếp nhận nhưng chưa qua xử lý hoặc chỉ xử lý bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả, không đạt tiêu chuẩn xả thải Trong số đó, phải kể đến nguồn nước thải từ các trang trại chăn nuôi lợn với hàm lượng của các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng nitơ (N), phôtpho (P) và vi sinh vật (VSV) gây bệnh cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải cho phép Trên thực tế, ở nước ta cho đến nay vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua Do đó, việc xử lý một khối lượng lớn nước thải phát sinh từ ngành chăn nuôi gia súc là nhu cầu cấp thiết của ngành công nghiệp môi trường

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như: phương pháp sinh học (công nghệ bùn hoạt tính (BHT), phân hủy yếm khí, thực vật thủy sinh); phương pháp hóa lý; phương pháp đất ngập nước; đã được nghiên cứu, áp dụng Các phương pháp này hoặc là gây tốn kém về chi phí hóa chất, hoặc là yêu cầu thời gian lưu nước dài (20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn Ngoài ra,

do nồng độ các thành phần N và P trong nước thải chăn nuôi quá lớn, nên hầu như các phương pháp này vẫn chưa thể xử lý triệt để được các chất ô nhiễm này Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước thải (XLNT) có tải trọng ô nhiễm cao như chăn nuôi đã được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua Để tăng hiệu quả xử lý đối với các nguồn thải này, việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là công nghệ MBR) đang được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên thế giới Dựa trên khả năng tách pha rắn – lỏng rất tốt của màng lọc nên đã làm tăng được nồng độ vi sinh trong bể xử lý, đặc biệt đối với các vi khuẩn có tốc độ

sinh trưởng thấp như Nitrosomonas, Nitrobacter (ôxy hóa ammoni thành NOx-), dẫn đến có thể tăng hiệu suất xử lý nitơ cao hơn 60% so với công nghệ BHT truyền thống, đồng thời việc sử dụng màng lọc cũng có thể loại bỏ vi khuẩn gần như tuyệt đối (Urbain và ncs, 1996; Kim và ncs, 2008) Ngoài ra, công nghệ này

có khả năng xử lý BOD5, COD, SS và P trong nước thải chăn nuôi lợn, với hiệu suất đạt được rất cao (Kim và ncs, 2005) Tuy nhiên, do tải lượng các chất ô nhiễm trong nguồn nước thải chăn nuôi đầu vào thường xuyên thay đổi, cho nên rất khó kiểm soát được sự ổn định chất lượng nước đầu ra sau quá trình xử lý Bên cạnh đó, việc khắc phục hiện tượng tắc nghẽn màng lọc, thường xảy ra khi vận hành hệ thống MBR, đòi hỏi màng lọc phải được làm sạch bằng hóa chất hoặc thay mới (Judd, 2006; Franken, 2009) Do đó, làm cho giá thành vận hành

hệ thống XLNT bằng công nghệ này tăng cao

Chính vì vậy, để có thể bố trí các đơn nguyên phù hợp trong hệ thống công nghệ MBR và xác định được các điều kiện vận hành tối ưu nhằm khắc phục được các tồn tại trên, để xử lý hiệu quả nước thải chăn nuôi khi áp dụng công nghệ

này, thì việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước thải

chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng” là rất cần thiết Các

kết quả của nghiên cứu này sẽ góp phần trong việc tìm kiếm phương pháp hiệu quả XLNT chăn nuôi, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, góp phần phát triển công nghiệp hóa ngành chăn nuôi theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng được mô hình hệ thống XLNT chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01-79:2011/BNNPTNT;

- Xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho mô hình hệ thống đã xây dựng để đảm bảo không chỉ giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc, mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này

3 Luận điểm khoa học

Nghiên cứu này được đặt ra, dựa trên một số luận điểm sau:

Nước thải chăn nuôi lợn 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, nitơ, phôtpho và vi sinh vật gây bệnh Trước đây, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng các phương pháp như: phương pháp sinh học, phương pháp keo tụ, phương pháp hóa học, sử dụng hệ thống đất ngập nước, … tuy nhiên các phương pháp này có hiệu quả xử lý chưa cao, thời gian vận hành kéo dài, sử dụng diện tích đất lớn;

Ở Việt Nam, công nghệ lọc màng đã được ứng dụng trong XLNT như nước thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, … nhưng hầu hết chỉ mới được thử nghiệm và sử dụng trong các trường hợp có hàm lượng chất rắn lơ lửng và các chất ô nhiễm thấp Đối với các nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi lợn thì các nghiên cứu sử dụng công nghệ tiềm năng này còn rất khiêm tốn;

Việc kết hợp cả phương pháp vật lý, sinh học và lọc màng sẽ khắc phục được các hạn chế mà các phương pháp khác còn tồn tại không giải quyết được như: xử lý được cả các hợp chất hữu cơ hòa tan, nitơ, phốtpho, chất rắn lơ lửng cũng như các loại vi khuẩn gây bệnh một cách hiệu quả; thời gian lưu ngắn; không cần bể lắng bùn; không sử dụng hóa chất cho quá trình xử lý; giảm thiểu các sản phẩm ô nhiễm thứ cấp đồng thời có thể tiết kiệm chi phí cho quá trình xử

lý

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng

sẽ là định hướng tiềm năng áp dụng trong XLNT chăn nuôi

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Phân tích, đánh giá đặc tính nước thải chăn nuôi khu vực

nghiên cứu;

Nội dung 2: Khảo sát sự thích nghi và đánh giá đặc tính BHT với nước thải

chăn nuôi;

Nội dung 3: Khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn

màng lọc (vật liệu màng, hình thái môđun màng, năng suất lọc, cường độ sục khí

và nồng độ BHT trong bể lọc màng) trên các môđun màng lọc đã được lắp ghép;

Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc

màng để XLNT chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm và khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện vận hành hệ thống (lưu lượng nước thải đầu vào, tỷ lệ dòng tuần hoàn nước từ sau bể hiếu khí về bể thiếu khí) đến hiệu quả xử lý các chất ô

nhiễm trong nước thải;

Nội dung 5: Tính toán sản lượng bùn dư thải bỏ trong bể lọc màng MBR; Nội dung 6: Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc

5 Ý nghĩa của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

 Kết quả thực hiện đề tài đã chứng tỏ việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng trong hệ thống XLNT có tải trọng các chất ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi lợn là rất khả quan và là cơ sở khoa học để có thể triển khai thực tế;

 Xác định được chế độ vận hành hệ thống sinh học kết hợp lọc màng, giúp giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc trong quá trình vận hành, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ màng lọc ứng dụng trong XLNT

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

 Hệ thống thiết bị và chế độ vận hành đơn giản, không cần bể lắng bùn, không sử dụng hóa chất, tiết kiệm chi phí cho quá trình xử lý, phù hợp với điều kiện của Việt Nam;

 Góp phần tạo ra một công nghệ mới có thể cải tạo, nâng cấp các hệ thống XLNT đã có, đảm bảo hiệu quả xử lý, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải

6 Đóng góp mới của đề tài

Đã xây dựng được mô hình hệ thống XLNT chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng và xác định được chế độ vận hành tối ưu của hệ thống, đảm bảo giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc và nước thải sau xử lý đáp ứng

tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01-79:2011/BNNPTNT và loại A theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT

7 Kết cấu của luận án

Luận án được bố cục thành 3 chương và các phần mở đầu; kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Luận án được trình bày trong 150 trang A4, 19 bảng biểu, 44 hình vẽ, danh mục 5 công trình khoa học của tác giả đã được công bố, 104 tài liệu tham khảo tiếng Việt và tiếng Anh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam

Trong những năm vừa qua, ngành chăn nuôi Việt Nam luôn giữ mức tăng trưởng cao và ổn định, góp phần vào tăng trưởng chung của toàn ngành nông nghiệp Theo số liệu thông kê, hàng năm số lượng vật nuôi lợn và gia cầm có xu hướng tăng, số lượng trâu và bò giữ mức ổn định Trong số các vật nuôi thì chăn nuôi lợn là phổ biến và về sản lượng, thịt lợn luôn đóng góp khoảng 2/3 nhu cầu thị trường

Số liệu thống kê về số lượng các loại vật nuôi trong giai đoạn từ năm 2012 – 2015 được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Sự thay đổi về số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2012 – 2015

Đơn vị tính: triệu con

Năm Trâu Bò Lợn Gia cầm

Về quy mô, chăn nuôi với quy mô nhỏ lẻ tại các hộ gia đình hiện vẫn chiếm

tỷ trọng lớn khoảng 65 - 70% về số lượng và sản lượng Tuy nhiên, ngành chăn nuôi nước ta đang có những dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi quy mô lớn, trang trại, công nghiệp Theo số liệu thống kê của Tổng

cục Thống kê, năm 2013, cả nước có khoảng 9000 trang trại chăn nuôi Đến năm

2014, số lượng trang trại chăn nuôi đã tăng trên 10 ngàn trang trại Trong đó, số lượng lớn trang trại tập trung ở miền Bắc và miền Nam Theo vùng sinh thái, vùng đồng bằng sông Hồng có số trang trại nhiều nhất chiếm tới 34,8% Trong vùng này, Hà Nội đứng đầu với 979 trang trại Trong số các trang trại chăn nuôi thì số lượng các trang trại chăn nuôi lợn chiếm phần lớn, cụ thể năm 2013, cả

nước đã có khoảng 4300 trang trại chăn nuôi lợn trên tổng số 9000 trang trại chăn nuôi (Niên giám thống kê, 2014)

Nhìn chung, ngành chăn nuôi nước ta trong những năm gần đây duy trì được sự phát triển ổn định và đã có những bước chuyển dịch rõ ràng từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, phù hợp với xu hướng của thế giới

1.2 Khối lượng và đặc tính nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi Trong nước thải chăn nuôi còn có thể chứa một phần hay toàn bộ lượng phân được vật nuôi thải ra Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng lớn nhất trong chăn nuôi

Theo khảo sát của tổ chức JICA và Viện Công nghệ môi trường tại các trang trại chăn nuôi lợn điển hình tại 5 tỉnh thuộc miền Bắc gồm Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Thái Bình và Hòa Bình cho thấy, lượng nước tiêu thụ từ 10 -

40 lít/đầu lợn/ngày, trong khi đó tại Nhật Bản con số này là 20 - 30 lít/đầu lợn/ngày Với 4293 trang trại chiếm 35% số đầu lợn trong cả nước (9345 triệu lợn), nếu trung bình lượng nước thải ra là 25 lít/đầu lợn/ngày thì lượng nước thải trung bình khoảng 85 triệu m3/năm, một con số đáng kể (Trần Văn Tựa, 2015) Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao Một đầu lợn nuôi kiểu công nghiệp trung bình hàng ngày thải ra lượng phân, nước tiểu khoảng 6 - 8 % khối lượng của nó

Để sản xuất 1000 kg thịt lợn thì hàng ngày phát sinh 84 kg nước tiểu, 39 kg phân,

11 kg TS (chất rắn tổng số), 3,1 kg BOD5, 0,24 kg NH4+-N (Bùi Hữu Đoàn, 2011) Như vậy, có thể thấy rằng chăn nuôi tập trung là một trong các nguồn chất thải lớn có nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường ở nước ta

Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng, biến động rất lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quy mô chăn nuôi, giống, độ tuổi vật nuôi, chế

độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách vệ sinh chuồng trại Đặc tính nước thải chăn nuôi bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự pha loãng, lưu trữ và cách

tách loại rắn lỏng Trong nghiên cứu của tác giả Vũ Đình Tôn (2008) cho biết lượng phân thải ra hàng ngày bằng 6 – 8% trọng lượng lợn Với lợn có trọng lượng dưới 10 kg thì lượng phân thải ra khoảng 0,5 -1 kg, lợn từ 15 – 40 kg là 1 –

3 kg, và lợn từ 45 – 100kg là 3 – 5 kg Ngoài ra, với giống lợn khác nhau, lượng chất thải cũng khác nhau Với lợn nái ngoại thải từ 0,94 – 1,79 kg/ngày, lợn thịt

là 0,6 – 1 kg/ngày tùy theo các mùa khác nhau Tùy thuộc vào giai đoạn phát triển của vật nuôi mà nhu cầu dinh dưỡng và sự hấp thu thức ăn có sự khác nhau Trong thời kỳ tăng trưởng, nhu cầu dinh dưỡng của vật nuôi lớn và khả năng đồng hóa thức ăn của con vật cao nên khối lượng các chất bị thải ra ngoài ít; còn khi vật nuôi trưởng thành thì nhu cầu dinh dưỡng giảm, khả năng đồng hóa thức

ăn thấp nên chất thải sinh ra nhiều hơn Vì vậy thành phần và khối lượng của phân cũng khác nhau ở các giai đoạn phát triển của vật nuôi

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100 kg

Thông số Đơn vị Giá trị

(Nguồn: Bùi Hữu Đoàn, 2011)

Phân thường tồn tại ở dạng rắn, tương đối rắn hoặc lỏng Trong phân chứa nhiều hợp chất giàu N, P Số liệu trong Bảng 1.2 cho thấy, hàm lượng N trong phân lợn chiếm từ 7,99 – 9,32 g/kg phân Ngoài ra, trong phân còn chứa nhiều vi

khuẩn gây bệnh Trong đó, các vi khuẩn thuộc loại Enterobacteriacea chiếm đa

số với các loài điển hình như E.coli, Samonella, Shigella, Proteus Theo số liệu

phân tích của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng thành phố Hồ Chí Minh (2001) cho

biết, trong 1 kg phân có thể chứa 2100 – 5000 trứng giun sán, chủ yếu là

Ascarisium (chiếm 39 – 83%), Oesophagostomum (chiếm 60 – 68,7%) và Trichocephalus (chiếm 47 – 58,3%)

Trong nước tiểu vật nuôi cũng chứa nhiều chất gây ô nhiễm (Bảng 1.3) Thành phần chính của nước tiểu là nước, chiếm 99% khối lượng Trong tất cả các chất có trong nước tiểu, u rê là chất chiếm tỷ lệ cao và dễ dàng bị VSV phân hủy trong điều kiện có ôxy tạo thành khí amoniac gây mùi khó chịu Thành phần nước tiểu cũng thay đổi tùy thuộc tuổi vật nuôi, chế độ dinh dưỡng và điều kiện khí hậu

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg

Thông số Đơn vị Giá trị

(Nguồn: Bùi Hữu Đoàn, 2011)

Do nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm cả nước tiểu, phân, nước vệ sinh vật nuôi, chuồng trại nên nước thải chăn nuôi có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, N, P và VSV gây bệnh Cụ thể:

- Chất hữu cơ:

Trong thành phần chất rắn của nước thải thì thành phần hữu cơ chiếm 70 -

80 % gồm các hợp chất hyđrocacbon, proxit, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của chúng có trong phân và thức ăn thừa Chất vô cơ chiếm 20 - 30 % gồm cát, đất, muối clorua, SO42-…

- Nitơ và phôtpho:

Hàm lượng N, P trong nước thải tương đối cao do khả năng hấp thụ kém của vật nuôi Khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu Theo thời gian và sự có mặt của ôxy mà hợp chất N trong nước thải tồn tại ở các dạng khác nhau NH4+, NO2-, NO3- và N hữu cơ Hợp chất

P trong môi trường nước thải tồn tại ở các dạng: P hữu cơ, phôtphát đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, polyphôtphat hay phôtphat trùng ngưng, muối phôtphat và P trong tế bào sinh khối

- Vi sinh vật:

Trong nước thải chăn nuôi, số lượng vi khuẩn, virut gây bệnh rất lớn và

nhiều chủng loại Vi khuẩn điển hình như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella

sp, Shigenla sp, Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ,

thương hàn, kiết lỵ Các loại virut có thể tìm thấy trong nước thải như: corona

virus, poio virus, aphtovirus…và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và

ấu trùng, ký sinh trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng đi vào nguồn nước

Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi, qua kết quả khảo sát của Viện KH&CN Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2009) nhận thấy, giá trị COD, TN, TP, SS và tổng coliform trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, với các giá trị tương ứng là 2500 – 12120 mgO2/L, 185 – 4539,

28 - 831, 190 – 5830 mg/L và 4x104 - 108 MPN/100 mL Trong một nghiên cứu khác về chất lượng nước thải tại trang trại Hòa Bình Xanh (xã Hợp Hòa, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình) với khoảng 3000 con lợn cũng cho thấy các thông số

ô nhiễm như COD, NH4+, TP và SS tương ứng lần lượt là 5630 ± 1032 mgO2/L,

544 ± 57, 60 ± 18 và 4904 ± 901 mg/L (Cao Thế Hà và ncs, 2015) Các giá trị ô nhiễm này đều vượt gấp nhiều lần so với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải chăn nuôi gia súc (QCVN 01-79:2011/BNNPTNT) và về nước thải chăn nuôi (QCVN 62-MT:2016/BTNMT)

1.3 Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường

Thành phần chất thải chủ yếu của trang trại chăn nuôi gồm có: Phân, nước tiểu gia súc và chất độn chuồng; các nguyên liệu, thức ăn chăn nuôi dư thừa; xác gia súc, gia cầm chết; các hoá chất thất thoát (hoá chất tiêu độc, khử trùng); các phụ phẩm nông nghiệp (thân cây, cành, lá, vỏ, hạt); Trong các thành phần chất thải nêu trên, đối tượng cần quan tâm đặc biệt là phân và nước tiểu vật nuôi Thành phần N, P và các VSV gây hại có trong phân và nước tiểu từ vật nuôi không những gây ô nhiễm không khí mà còn làm ô nhiễm đất, nước mặt và cả nguồn nước ngầm Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong phân gia súc (nhất là protein trong điều kiện yếm khí) thường sản sinh ra các chất khí có mùi hôi thối (lndol, H2S, NH3) gây ô nhiễm không khí Trong nước thải chứa hàm lượng N, P cao khi xả ra môi trường gây hiện tượng phú dưỡng môi trường nước các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến hiện tượng “nở hoa nước” do vi tảo bao gồm vi khuẩn lam độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng (Đặng Đình Kim và ncs, 2005) Bên cạnh đó, do nước thải cũng chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên làm giảm nồng độ ôxy hoà tan cho nguồn nước tiếp nhận, dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái thuỷ sinh vật nguồn nước tiếp nhận Ngoài ra, trong trường hợp gia súc mắc các bệnh truyền nhiễm hoặc ký sinh trùng, côn trùng sẽ đóng vai trò trung gian truyền bệnh cho dịch lây lan rộng, đồng thời làm tăng nguy cơ mắc các bệnh giun sán

1.4 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới

Việc XLNT chăn nuôi đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát triển

từ cách đây vài chục năm Các công nghệ áp dụng cho XLNT có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi rất đa dạng nhưng trong đó chủ yếu là các phương pháp sinh học do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện

tự nhiên (Sirianuntapiboon và ncs, 2006)

Công nghệ đất ngập nước là công nghệ XLNT áp dụng các điều kiện tự nhiên, thân thiện môi trường Quá trình xử lý chính trong việc phân giải chất hữu

cơ được thực hiện bởi các VSV sống ở trên và xung quanh vùng rễ của cây Từ lâu các hệ thống đất ngập nước đã được sử dụng để XLNT ở các trang trại nuôi lợn

Tại Cooper County Hog Farm, Australia, hệ thống xử lý bao gồm hai hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đất ở quy mô pilot với diện tích 36 m2 được đổ

đầy sỏi có đường kính 20 mm, được trồng Hương bồ đài hoa dài (Typha

domingensis), bổ sung Cói giùi đầm hồ (Scirpus validus) (Vymazal và

Kröpfelová, 2008) Hiệu quả xử lý TSS và COD đạt được của hệ thống mặc dầu khá cao (tương ứng 62 và 41 %) nhưng hiệu quả xử lý TN và TP còn thấp (chỉ đạt tương ứng 26 và 31 %) Các kết quả của nghiên cứu này được thể hiện trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Hiệu suất xử lý của hệ thống đất ngập nước Cooper County Hog

Farm, Australia Thông số Đơn vị Đầu vào Đầu ra Hiệu suất (%)

(Nguồn: Vymazal và Kröpfelová, 2008)

Tại Leping, phía nam Trung Quốc, hệ thống đất ngập nước được thiết kế bao gồm các lưới chắn, hồ trầm tích, hồ thủy phân yếm khí, đất ngập nước và ao

cá Các hệ thống đất ngập nước bao gồm bốn bể với tổng diện tích 495 m2 được

đổ đầy sỏi có đường kính 50 - 80 mm, 30 - 50 mm, 20 - 30 mm và 10 - 20 mm Lưu lượng đầu vào trung bình 81 m3/ngày(Kadlec và Knight, 1995) Hiệu quả xử

lý BOD5, COD và TSS của hệ thống này là khá cao (tương ứng 86,8; 86,7 và 86

%) (Bảng 1.5) Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải có diện tích đất rộng lớn

Bảng 1.5 Hiệu suất và tải lượng xử lý của hệ thống đất ngập nước ở Leping,

Trung Quốc

Thông

số

Đầu vào (mg/L)

Đầu ra (mg/L)

Hiệu suất (%)

Tải lượng (kg/ha.ngày) Đầu vào Đầu ra Loại bỏ

(Nguồn: Kadlec và Knight, 1995)

Nhìn chung, hệ thống đất ngập nước đạt được hiệu suất cao trong việc xử lý COD, BOD5 và TSS Tuy nhiên, việc xử lý các thành phần dinh dưỡng như TN,

TP, NH4+-N là chưa triệt để và cần phải có thời gian lưu nước dài Ngoài ra, công nghệ này còn có nhược điểm là đòi hỏi diện tích đất lớn, mà điều này chắc chắn

là không mong muốn đối với các chủ trang trại, thậm chí là bất khả thi trong tình hình áp lực về đất đai hiện nay

Xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi có thể thực hiện bằng phương pháp cơ học như sử dụng sàng lọc để loại bỏ N, P bám dính trong chất rắn lơ lửng Tuy nhiên, sàng lọc chỉ có thể loại bỏ một số chất dinh dưỡng nhưng không thể loại

bỏ hoàn toàn các dạng N, P hòa tan Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có rất nhiều chất

dinh dưỡng bao gồm N, P tồn tại trong nước thải sau khi đã qua sàng lọc (Van

Horn và ncs, 1994) Một nghiên cứu khác cho thấy N bị loại bỏ bởi sàng lọc chưa

đến 10 % và P ít hơn 5 % (Powers, 1995) Việc tách các hợp chất N, P có hiệu suất cao hơn khi lọc qua màng: màng nano, màng thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tích, tuy nhiên giá thành quá đắt nên hầu như chưa có ứng dụng trong thực

tế Chính vì thế mà phương pháp hóa lý và sinh học là sự lựa chọn tiếp theo trong

xử lý N và P

Để tách N, P ra khỏi nước cần phải chuyển hóa chúng về dạng không tan trước khi áp dụng các kỹ thuật tách chất lắng như: lắng, lọc hoặc tách trực tiếp qua màng thích hợp

Kết tủa struvite là một phương pháp nhiều triển vọng không chỉ trong việc loại bỏ N, P từ nước thải chăn nuôi mà còn có giá trị sản xuất phân bón, bù lại chi phí sử dụng hóa chất

Struvite tạo thành từ các thành phần:

Mg2+ + NH4+ + HPO42- + OH- + 5H2O  MgNH4PO4.6H2O (1.1)

Từ phương trình (1.1) cho thấy, để tạo ra hợp chất struvite cần tới các thành phần chính là phôtphát, amôni và magiê cùng với kiềm (OH-) tức là phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm (pH cao) Nước thải hầu như không thể có đủ các yếu tố trên cho sự tạo thành struvite phù hợp với thành phần hóa học của sản phẩm, vì vậy cần phải bổ sung các thành phần còn thiếu

Kết quả nghiên cứu khi bổ sung MgSO4 với nồng độ 1000 – 1500 mg/L, trong môi trường kiềm có thể loại bỏ đồng thời cả amôni và phôtphát Hiệu suất loại bỏ phôtphát cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 9, trong khi đó, hiệu suất loại bỏ amôni cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 11 (Liao và ncs, 1993) Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra sản phẩm phân bón Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là lượng MgSO4 sử dụng quá lớn, làm tăng chi phí xử lý Ngoài ra, xử lý P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp keo tụ

đã được sử dụng phổ biến, dựa trên nguyên tắc kết tủa phôtphát (đơn và một phần loại trùng ngưng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có

độ tan thấp và chúng được tách dưới dạng chất rắn

10Ca2+ + 6PO43- + 2OH-  Ca10(PO4)6(OH)2 (1.2)

Al3+ + HnPO43-n  AlPO4 + nH+ (1.3)

Fe3+ + HnPO43-n  FePO4 + nH+ (1.4) Các hóa chất keo tụ phổ biến là muối nhôm Al2(SO4)3, vôi Ca(OH)2, muối sắt FeSO4, FeCl2 và ZrCl4 Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là làm tăng chi phí do phải xử lý lượng bùn kết tủa và chi phí hóa chất sử dụng

Từ lâu kỹ thuật phân hủy yếm khí đã được áp dụng để XLNT chăn nuôi lợn Phương pháp xử lý này cho thấy hiệu quả và kinh tế hơn so với các phương pháp truyền thống như ao hồ tùy nghi, chôn lấp, hóa lý hoặc hiếu khí (Wrigley và ncs, 1992) Một số mô hình phân hủy yếm khí đã được áp dụng phổ biến trong việc xử lý nước thải chăn nuôi như hệ thống khí sinh học (biogas), dòng chảy ngược qua tầng bùn yếm khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) … Ưu điểm của hệ thống khí sinh học là có thể sản xuất được nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế được một phần các nguồn năng lượng khác Trong hầm biogas, các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đó nước thải sau biogas có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn Một kỹ thuật yếm khí khác đó là hệ thống dòng chảy ngược qua tầng bùn yếm khí UASB, có ưu điểm nổi bật là khả năng chịu tải trọng COD lớn và chịu được sự thay đổi đột ngột của COD trong nước thải Dòng nước thải đi vào hệ thống theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt, chứa những VSV yếm khí để phân huỷ chất hữu cơ chứa trong bùn thải Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải

và sinh ra một lượng khí sinh học đáng kể Nhìn chung, việc sử dụng phương pháp sinh học yếm khí đã làm giảm thiểu đáng kể BOD5, COD và SS trong nước thải chăn nuôi Tuy nhiên, các thành phần gây ô nhiễm môi trường như N, P vẫn còn ở mức cao và cần phải được xử lý tiếp trước khi thải ra môi trường

Sự phát hiện phản ứng anammox đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật xử

lý nitơ mới, đặc biệt đối với loại nước thải có hàm lượng nitơ lớn Đây là phản ứng ôxy hóa yếm khí amoni (Anaerobic Ammonium Oxdation – Anammox) Trong đó, amoni được ôxy hóa bởi nitrit trong điều kiện yếm khí, không cần cung cấp cacbon hữu cơ, để tạo thành N2 Các vi khuẩn anammox được phát hiện

gồm Brocadia, Kuenenua và Scalindua

Phương trình phản ứng:

NH4+ + 1,32 NO2- + 0,66 HCO3- + 0,13 H+ 

1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O (1.5)

Phản ứng anammox xảy ra giữa amoni và nitrit với tỷ lệ mol là 1:1,32 Như vậy, để áp dụng anammox vào xử lý N (chủ yếu là amoni) về nguyên tắc phải bổ sung nitrit vào hoặc chuyển hóa một phần amoni ban đầu thành nitrit rồi chính nitrit sinh ra phản ứng với phần amoni còn lại Trên thực tế, các quá trình anammox thực hiện theo hướng thứ hai

Để loại bỏ N từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn có tỷ số C/N thấp, tác giả Wang (2009) đã nghiên cứu sử dụng quá trình anammox trong hệ phản ứng gián đoạn có giá thể vi sinh (Sequencing batch biofilm reactor – SBBR) Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ nitơ rất cao, cụ thể % loại bỏ NH4+, NO2- và TN trung bình tương ứng: 91,8; 99,3 và 84,1% Tỷ số NH4+, NO2- và NO3- trung bình là 1:1,21:0,24

Tác giả Hwang (2005) cũng đã nghiên cứu xử lý N từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng cách kết hợp cả 2 quá trình Sharon (Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite) và Anammox Nước thải được tiền xử lý bằng quá trình Sharon để chuyển hóa một phần amoni thành nitrit sau đó mới đi vào bể phản ứng Anammox Tải lượng N và tốc độ chuyển hóa đạt được tương ứng là 1,36 kg N/m3

/ngày và 0,72 kg N/m3/ngày Tỷ số NO2-/NH4+ trung bình là 2,13

Mặc dù, quá trình anammox đạt được hiệu quả xử lý amoni rất cao, tuy nhiên, một vấn đề đáng quan tâm là vi khuẩn anammox sinh trưởng rất chậm (thời gian nhân đôi tế bào khoảng hơn 11 ngày), nên việc nuôi cấy, phân lập gặp nhiều khó khăn Hơn nữa, quá trình anammox cũng chưa xử lý được thành phần phôtpho triệt để, muốn thế phải kết hợp với một số phương pháp khác

Một số mô hình xử lý hiếu khí và hiếu khí kết hợp đã được nghiên cứu áp dụng trong việc xử lý nước thải chăn nuôi như hệ thống aeroten, hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR, hệ thiếu khí kết hợp hiếu khí, yếm khí kết hợp hiếu khí (AO) và hệ yếm khí, thiếu khí kết hợp hiếu khí (A2O)

Hệ thống aeroten là dạng bể kỹ thuật truyền thống và được ứng dụng nhiều trong xử lý hiếu khí nước thải do kỹ thuật đơn giản, dễ vận hành và chi

phí thấp Nguyên lý của quá trình là dòng chảy của nước thải và BHT ở trạng thái lơ lửng (bùn chứa VSV hoạt động) được nạp bão hòa ôxy bằng phương

pháp sục khí

Sục khí có hiệu quả tốt trong việc loại bỏ COD, BOD5, N, P và cả ion kim loại (Osada và ncs, 1991) Tuy nhiên, chi phí cao về thiết bị và tiêu thụ năng lượng là hạn chế trong việc ứng dụng nó Để tăng cường hiệu quả, quá trình xử lý yếm khí đã được kết hợp với sục khí liên tục (O`melia và ncs, 1999) Nhiều nghiên cứu cho rằng điện thế ôxy hóa cao hoặc DO cao trong nước thải là cần thiết để đạt được hiệu suất xử lý cao đối với chất dinh dưỡng Kết quả nghiên cứu

của Charpentier (1987) khẳng định rằng, việc ôxy hóa hoàn toàn chất hữu cơ và

loại bỏ P ở trong bùn chỉ đạt được khi điện thế lớn hơn 0 mV Còn đối với loại

bỏ N, nó bao gồm 2 quá trình: đó là sự bay hơi của NH3 ở pH cao và khử NO3được hình thành trong quá trình nitrat hóa ở giai đoạn sục khí, điều này chỉ xảy ra khi điện thế lớn hơn 100 mV hoặc nồng độ DO vượt quá độ bão hòa 1 % (Charpentier và ncs, 1987) Nghiên cứu khác cũng cho rằng, hiệu quả loại bỏ N cao (trên 95 %) liên quan đến quá trình khử nitrat đạt được thông qua hoạt động sục khí liên tục (Bicudo và Svoboda, 1995) Như vậy, điện thế cao có đóng góp trong việc loại bỏ các chất dinh dưỡng Tuy nhiên, để duy trì điện thế cao đồng nghĩa với việc chi phí cho năng lượng tiêu thụ lớn Do đó, việc nghiên cứu loại

-bỏ COD, N, P bằng sục khí liên tục và không liên tục ở mức điện thế thấp đã được nghiên cứu Tác giả Ancheng Luo (2002) đã nghiên cứu điều kiện sục khí liên tục và không liên tục ở mức điện thế thấp, kết quả thu được với sục khí liên tục ở cường độ thấp 0 – 0,667 L/ph.L không mang lại điện thế đủ lớn như hệ hiếu khí, tuy nhiên, quá trình cũng đã làm giảm TN và NH4+ tương ứng 24 và 32,3 % (với đầu vào TN là 2,88 g/L) Sục khí không liên tục (tắt bật sau 2 giờ) đạt được khoảng 1/2 hiệu quả loại bỏ TN và NH4+ như sục khí liên tục Kết quả thu được cũng cho thấy khả năng loại bỏ P giữa sục khí liên tục và không liên tục không

có sự khác nhau nhiều Trong vòng 24 giờ sục khí không liên tục đã loại bỏ được

75 % PO43- (Ancheng và ncs, 2002) Phương pháp này giải quyết được vấn đề tiết kiệm chi phí năng lượng, tuy nhiên hiệu suất xử lý N, P không cao

Một vài quá trình xử lý loại bỏ N trong cùng một bể được phát triển bởi Ludzack – Ettinger (MLE) (1962) thể hiện trên Hình 1.1 và Bardenpho (1975) thể hiện trên Hình 1.2

Hình 1.1 Mô hình Ludzack – Ettinger

Hình 1.2 Mô hình Bardenpho

Trong mô hình Ludzack – Ettinger, nitrat hóa và khử nitrat hóa xảy ra trong cùng một bể Nguồn cacbon hữu cơ cần thiết cho quá trình khử nitrat hóa được lấy từ nước thải đầu vào Quá trình này có thể kiểm soát quá trình khử nitrat bằng cách thay đổi tỷ lệ dòng tuần hoàn từ vùng hiếu khí quay trở lại vùng thiếu khí Tổng hiệu suất khử N và tốc độ nitrat hóa của quá trình được tăng lên

Trong mô hình Bardenpho gồm 4 vùng hiếu khí và thiếu khí xen kẽ Dòng tuần hoàn từ vùng hiếu khí đầu tiên về vùng thiếu khí đầu tiên với lưu lượng gấp

4 – 6 lần lưu lượng đầu vào Quá trình khử nitrat hoàn thiện hơn so với quá trình

Thiếu khí Hiếu khí

Đầu vào

Thiếu khí

Hiếu khí

Thiếu khí

Hiếu khí

một, hai, ba bậc Vùng thiếu khí thứ nhất không đạt được khử nitrat hoàn toàn thì vùng thiếu khí thứ hai khử bổ sung thêm và gần như khử lượng nitrat từ vùng hiếu khí thứ hai sang một cách hoàn toàn và sử dụng nguồn cacbon từ quá trình

hô hấp nội sinh của VSV Vùng hiếu khí sau cùng khử N ra khỏi hỗn hợp bùn lỏng để ngăn ngừa hiện tượng bùn nổi ở bể lắng đợt hai

Trên cơ sở nước thải chăn nuôi sau khi qua phân hủy yếm khí vẫn còn tồn

tại các hợp chất N, P nên nhóm nghiên cứu Bernet (2000) đã nghiên cứu loại bỏ

thành phần N, P này bằng cách kết hợp bể yếm khí nối tiếp bể hiếu khí Quá trình nitrat hóa xảy ra trong bể hiếu khí chuyển NH4+ thành NO3-, NO2- Sau đó, nước thải đầu ra bể hiếu khí chứa NO3-, NO2- được quay vòng lại bể yếm khí để khử nitrat thành khí N2 Hàm lượng NOx đầu ra phụ thuộc tỷ lệ tuần hoàn Nếu tỷ lệ tuần hoàn cao thì hiệu suất loại bỏ TN cao và nồng độ NOx đầu ra thấp Hiệu suất loại bỏ TN đạt được trung bình là 85 – 91% tùy thuộc tỷ lệ dòng tuần hoàn (Bernet và ncs, 2000) Bên cạnh đó, quá trình loại bỏ P dựa trên hiện tượng một

số loại VSV tích lũy P trong điều kiện hiếu khí Sau đấy, bùn từ bể hiếu khí được tuần hoàn về bể yếm khí Trong điều kiện yếm khí VSV lại thải ra phần tích lũy

dư thừa P được tách ra khỏi nước trực tiếp thông qua thải bùn dư Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống này là nồng độ NH4+ trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao nên sau khi qua bể hiếu khí thì một lượng lớn NO3- được tạo thành và do đó khi tuần hoàn về bể yếm khí, chính NO3- sẽ gây ức chế quá trình yếm khí

Obaja và các cộng sự (2003) đã nghiên cứu XLNT chăn nuôi lợn trên hệ SBR với chế độ vận hành: thời gian lưu nước HRT 8 giờ mỗi chu kỳ và thời gian lưu bùn SRT 11 ngày, nồng độ BHT trong bể dao động 3000 – 4000 mg/L Trong

2 giờ đầu (giai đoạn yếm khí), hầu như nồng độ N không thay đổi còn nồng độ P

tăng do lượng phôtphat được giải phóng ra bởi loài vi khuẩn Acinetobacter

Những vi khuẩn này sử dụng các chất trung gian có khối lượng phân tử thấp như nguồn năng lượng cacbon Sau đó, quá trình nitrat hóa xảy ra trong 4 giờ, NH4+chuyển sang NO3- dẫn đến nồng độ nitrat tăng Sau giai đoạn hiếu khí, hầu như

NH4+ đã chuyển sang NO3- Trong giai đoạn này, P hòa tan đã bị giữ lại và tích

trữ dưới dạng polyphotphat nên phôtphat giảm Tiếp đến giai đoạn thiếu khí, nitrat giảm, chuyển sang N2 Giai đoạn này hệ cần bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào như axit acetic, etanol Hiệu suất loại bỏ N, P của hệ thống đạt được rất cao, tương ứng 99,7 và 97,3 %, với NH4+-N và PO43--P đầu vào là 300 và 49,4 mg/L (Obaja và ncs, 2003) Tuy nhiên, khi nồng độ NH4+ cao hơn 500 mg/L, quá trình nitrat hóa không còn xảy ra hoàn toàn Cụ thể, với nồng độ NH4+ 550 mg/L, hiệu suất quá trình nitrat hóa chỉ đạt 90,9 %, tương ứng nồng độ NH4+ đầu ra vẫn còn lớn (50 mg/L) Phương pháp này có nhược điểm là phải bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào, do đó làm tăng chi phí xử lý Ngoài ra, khi nồng độ N trong nước thải đầu vào quá lớn, đã vượt ngưỡng xử lý của hệ thống

Để khắc phục hạn chế phải bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào khi thực hiện quá trình khử nitrat, bằng cách tận dụng nguồn cacbon trong nước thải chăn nuôi đã được thử nghiệm Chu kỳ hoạt động của hệ thống SBR trong nghiên cứu của Obaja (2005) như sau: Nước thải chăn nuôi đã qua phân hủy yếm khí được đưa vào bể Đầu tiên là giai đoạn yếm khí 1 giờ, tiếp đến là giai đoạn hiếu khí 2 giờ và giai đoạn thiếu khí 1 giờ Nguồn cacbon dễ phân hủy sinh học được bổ sung vào giai đoạn thiếu khí Việc bổ sung nguồn cacbon đồng nghĩa với sự làm tăng nồng độ NH4+ trong bể phản ứng nên làm tăng thời gian sục khí và thiếu khí thêm 30 phút, HRT mỗi chu kỳ là gần 7 giờ SRT trong bể 11 ngày Kết quả thu được cho thấy quá trình nitrat hóa đạt trên 99,6 %, quá trình khử nitrat hóa đạt

100 %, tương đương với quá trình sử dụng nguồn cacbon bổ sung là metanol hoặc axit axetic Tuy nhiên, khi so sánh về thời gian và năng suất xử lý NH4+ cho thấy, nếu sử dụng nguồn cacbon bổ sung từ nước thải chăn nuôi, chỉ xử lý được

NH4+ nồng độ 1300 mg/L.ngày, do chỉ thực hiện được 3,43 chu kỳ/ngày (mỗi chu kỳ 7 giờ) Trong khi đó, nếu sử dụng nguồn cacbon bổ sung từ hóa chất, xử

lý được NH4+ nồng độ 1800 mg/L.ngày, do có thể thực hiện được 6 chu kỳ/ngày (mỗi chu kỳ 4 giờ) Điều đó có nghĩa là, nếu sử dụng nguồn cacbon từ nước thải chăn nuôi thì thời gian phần lớn là để xử lý NH4+-N (hơn 75 %) (Obaja và ncs,

2005) Do đó, cần cân nhắc khi lựa chọn nguồn cacbon bổ sung để cân bằng tiết kiệm chi phí hóa chất và năng suất xử lý

Như vậy, qua các nghiên cứu trên nhận thấy công nghệ SBR ứng dụng trong XLNT chăn nuôi lợn đạt hiệu suất xử lý cao Tuy nhiên, công nghệ SBR có nhược điểm là khi tải lượng chất ô nhiễm đầu vào cao, không xử lý được triệt để chất ô nhiễm Ngoài ra, việc tách bùn rất khó thực hiện, đặc biệt là khi nồng độ BHT trong bể lớn, và bùn dễ bị rửa trôi gây xáo trộn mật độ vi sinh trong bể, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý khi hệ thống trong giai đoạn tháo nước để nạp nguyên liệu mẻ mới vào

Để tăng hiệu quả xử lý đối với các nguồn thải chăn nuôi thì việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là công nghệ MBR) đang được coi

là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên thế giới.Công nghệ MBR có thể được ứng dụng trong môi trường yếm khí hoặc hiếu khí

Việc sử dụng màng lọc trong bể yếm khí đã cho phép duy trì sinh khối ổn định và hoạt động ở nồng độ bùn cao (15 – 30 gMLSS/L), đồng nghĩa với làm tăng tải trọng xử lý chất hữu cơ của bể yếm khí (Judd, 2006) Nghiên cứu của Bailey (1994) cho thấy hiệu quả loại bỏ COD khi hệ UASB kết hợp màng lọc vi lọc đạt được đến 99%, với đầu vào cao (0,05 g/L) Kết quả nghiên cứu của Zhang (2007) cho thấy hệ thống MBR yếm khí đạt được hiệu suất cao trong việc loại bỏ đồng thời cả COD, N và P, tương ứng 93; 67,4 và 94,1 % Hệ thống MBR yếm khí cho thấy hiệu quả phân hủy tốt hơn, sản lượng tạo khí CH4 cao hơn và chất lượng nước sau xử lý tốt hơn so với hệ yếm khí truyền thống Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với MBR yếm khí đó chính là hiện tượng tắc nghẽn màng lọc Để giảm hiện tượng tắc nghẽn màng lọc trong bể MBR yếm khí chỉ có cách tăng tốc độ dòng chảy để làm giảm sự bám dính của sinh khối và chất hữu cơ dạng keo trên bề mặt màng lọc (Stephenson và ncs, 2000) Tuy vậy, hiệu quả phân hủy trong bể MBR yếm khí có thể ảnh hưởng xấu do tốc độ dòng chảy lớn.Tại Hàn Quốc, công nghệ MBR đã được ứng dụng trong hệ thống: thiếu khí – hiếu khí nối tiếp hiếu khí - hiếu khí để loại bỏ N, P và các hợp chất hữu cơ

trong nước thải chăn nuôi Màng lọc được làm từ vật liệu polysulfone, diện tích

bề mặt của màng 0,5 m2 Hệ thống màng gồm 10 cuộn tròn xếp song song, trong mỗi cuộn có 8 môđun Mỗi môđun bao gồm 7 ống với đường kính trong 13,3

mm và các ống được bố trí trong một ống thép không gỉ Năng suất lọc được thiết

kế 30 – 40 L/m2.h HRT tối đa trong nghiên cứu 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, trong khi tỷ

lệ tuần hoàn bên trong của R #1, #2, #3 từ 860 đến 1060 %, và duy trì tương ứng

6 tháng hoạt động, hiệu suất loại bỏ trung bình BOD5, COD, SS, TN và TP của

hệ thống tương ứng là 99,9; 92,0; 99,9; 98,3 và 82,7 %, với các giá trị đầu vào dao động 8690 – 17190; 2125 – 8375 mgO2/L, 370 – 17650; 2670 – 4730 và 34 –

192 mg/L (Kim và ncs, 2005) Như vậy, mặc dù hiệu suất xử lý của hệ thống Nix-MBR-HT đạt được rất cao, nhưng thành phần chất ô nhiễm đầu ra sau xử lý vẫn còn khá cao, chưa thể đáp ứng tiêu chuẩn xả thải

Trong một nghiên cứu khác, hệ thống bể yếm khí lọc dòng bùn ngược AUBF (Anaerobic Upflow Bed Filter) được bố trí phía trước bể MBR Màng lọc

sử dụng trong nghiên cứu là loại màng lọc tấm phẳng có diện tích hữu dụng 0,1

m2, và kích thước lỗ 0,25 µm Nồng độ BHT trong bể đặt màng lọc duy trì

Thiếu khí Hiếu khí Hiếu khí không liên tục Hiếu khí Màng lọc

R #1

R #2

R #3

khoảng 15000 mg/L Năng suất lọc được khảo sát trong khoảng 10 – 30 L/m2.h Thời gian lưu nước từ 1,5 – 7,8 ngày Kết quả thu được hiệu quả xử lý COD trung bình đạt 91 % với tải lượng COD đầu vào 0,5 – 3 kgO2/m3.ngày Quá trình nitrat hóa xảy ra gần như hoàn toàn, hiệu suất loại bỏ NH4+-N đạt trên 98 % với tải lượng NH4+-N đầu vào 0,65 kg NH4+-N/m3.ngày Nhưng do nước thải chăn nuôi lợn sử dụng trong nghiên cứu có tỷ số TCOD/TKN = 1,5 – 4,0 thấp (< 5) nên hiệu suất xử lý nitrat chỉ đạt 60 % khi làm việc với tỷ lệ dòng tuần hoàn 300

% (Shin và ncs, 2005)

Trong một hệ thống xử lý khác, màng lọc vi lọc sợi rỗng được đặt ngập trong bể sục khí thể tích 227 L, diện tích màng sử dụng 0,93 m2 Nồng độ BHT trong bể duy trì 2830 – 4070 mg/L Do COD đầu vào cao nên hệ phải làm việc với thời gian lưu dài 6 ngày với tải lượng COD trung bình 0,18 kgO2/kgMLSS.ngày Khi pH được kiểm soát trong khoảng 7,3 – 7,6, hiệu suất xử

lý amoni đạt 99,9 %, tương ứng đầu ra dưới 5 mg/L Khi pH giảm xuống 6,2, hiệu suất xử lý amoni chỉ đạt 52,9 % (Yang và Cicek, 2008) Nghiên cứu này cho thấy, yếu tố pH ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni, do đó, cần kiểm soát pH >

7 để quá trình nitrat hóa có thể diễn ra hoàn toàn

Cũng sử dụng công nghệ MBR nhưng nhóm nghiên cứu của Kim (2008) đã kết hợp với bể nitrat hóa Màng lọc sử dụng trong nghiên cứu là loại màng lọc sợi rỗng vật liệu PVDF, có kích thước lỗ 0,4 µm Thời gian lưu nước bên trong

hệ thống AO và AO2 là 5 ngày Hệ thống AO2 gồm bể thiếu khí, bể hiếu khí và

bể nitrat hóa, có dung tích lần lượt 6, 12 và 9 L Hệ thống được nghiên cứu với 4 trường hợp: thay đổi tỷ lệ tuần hoàn, thay đổi thời gian lưu nước, và trường hợp

có hoặc không có bể nitrat hóa Nước thải chăn nuôi lợn đã được tiền xử lý bằng

ly tâm và tiền xử lý sinh học Đặc tính nước thải đầu vào như sau: COD 6419 mgO2/L, TN 4212, NH4+ 2560 và NO3- 1050 mg/L Như vậy, trong trường hợp này tỷ lệ C/N = 1,5 là rất thấp Trong hệ thống AO, tỷ lệ dòng tuần hoàn thay đổi

từ 100 đến 500 % Với tỷ lệ dòng tuần hoàn 300%, hiệu quả đạt được tốt nhất Hiệu suất loại bỏ TN của hệ AO2 là 94 %, tương ứng đầu ra còn 238 mg/L, còn

hệ AO chỉ đạt 56 %, tương ứng đầu ra còn 539 mg/L Đặc biệt, hiệu suất loại bỏ

NH4+ tăng 68% và NO3- là 37 % so với hệ AO (Kim và ncs, 2008) Kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy việc kết hợp với bể nitrat hóa cho hiệu quả tốt hơn trong việc loại bỏ N mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon trong trường hợp

Nhƣ vậy, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR trong xử lý nước thải

chăn nuôi lợn trên thế giới tuy đã đạt được hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm BOD5, COD, SS rất cao, nhưngvẫn chưa thể xử lý triệt để các thành phần N và P

Do đó, cần nghiên cứu khả năng kết hợp hệ thống MBR với các giai đoạn sinh học khác như yếm khí, thiếu khí để có thể xử lý N và P trong nước thải chăn nuôi lơn đạt hiệu suất cao hơn và đáp ứng được chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải hiện hành

1.4.2 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam

Hiện nay, ở Việt Nam có 5 loại hình quy trình điển hình đang được áp dụng phổ biến tại các trang trại chăn nuôi lợn: Thứ nhất, nước thải chăn nuôi được thải trực tiếp ra kênh mương; thứ hai, nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý bằng hồ kỵ khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường; thứ ba, nước thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau

đó được thải ra kênh mương; thứ tư, nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý bằng hầm biogas, sau đó được xử lý tiếp bằng ao/hồ sinh học; và thứ năm, nước thải chăn nuôi được xử lý bằng ổn định kỵ khí, sau

đó được xử lý bằng phương pháp lọc sinh học kỵ khí hoặc aeroten, cuối cùng qua

hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra ngoài (Trần Văn Tựa, 2015)

Mặc dù hầu hết các trang trại được khảo sát đều đã áp dụng một hoặc một vài phương pháp kết hợp để XLNT Tuy nhiên chất lượng nước thải sau xử lý chưa đạt tiêu chuẩn xả thải Như vậy, có thể nói ở Việt Nam chưa có quy trình hoàn thiện nào được công bố để XLNT chăn nuôi đạt tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01-79:2011/BNNPTNT Mô hình XLNT chăn nuôi lợn tại xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao, quận 12, thành phố Hồ Chí Minh được xem là đầy đủ và đại diện cho các nghiên cứu XLNT chăn nuôi ở Việt Nam Hệ thống xử lý gồm bể chứa nước thải dung tích 22,4 m3, sàng tách chất rắn, bể chứa nước để bơm lên bồn cao vị, bồn cao vị dung tích 5 m3 đặt trên bể phân hủy yếm khí có dung tích làm việc 28 m3, bể lọc yếm khí dung tích làm việc 20 m3 và ao thực vật thủy sinh

720 m2 Kết quả thu được cho thấy hiệu suất xử lý COD, BOD5, N-NH4+ và SS của hệ thống đạt được rất cao, lần lượt là 96,7; 97,4; 99,4 và 97,9 %, tương ứng nước thải đầu ra có các giá trị 100; 46,3 mgO2/L; 2,3 và 46,8 mg/L (Nguyễn Đức Cảnh, 2000) Tuy nhiên, đây chỉ là mô hình thử nghiệm XLNT có công suất 30

m3/ngày, trong tổng số 935 m3/ngày từ 12000 đầu lợn các loại của Xí nghiệp Với lưu lượng 30 m3/ngày cần thể tích ao thực vật thủy sinh 720 m2, nếu muốn

xử lý hết tổng số nước thải của cả xí nghiệp sẽ phải cần tới diện tích 2,5 ha, điều này sẽ khó khả thi nếu không tính tới phương án sử dụng mặt nước hiệu quả hơn, ngoài ra còn vấn đề liên quan tới sinh khối bèo phát sinh

Bên cạnh đó, nhiều công trình XLNT lợn bằng cỏ vetiver và lục bình đã được công bố Hàm lượng TSS, COD, BOD5, TN và TP trong nước thải chăn nuôi, sau 15 xử lý bằng bèo lục bình tại xóm Đông Yên, xã Tích Lương, thành phố Thái Nguyên, giảm lần lượt tương ứng là 79,05; 68,3; 60,3; 82,7 và 73,2% (Dương Thị Liên và ncs, 2012) Việc XLNT bằng công nghệ sinh học mà chủ

yếu là thực vật bậc cao cụ thể là cỏ vetiver và lục bình đạt được những kết quả tốt nhưng đòi hỏi diện tích đất lớn

Tháp kỵ khí UASB và máng thực vật thủy sinh cũng đã được thử nghiệm XLNT chăn nuôi lợn Mô hình UASB được xây dựng với lượng nước thải qua tháp duy trì ở 500 – 700 L/ngày, thời gian lưu nước khoảng 8 - 14 giờ Máng thực vật thủy sinh được đào chìm dưới đất, lót tấm nhựa PE ở đáy Bèo tây được thả làm thực vật thủy sinh Nước thải chăn nuôi sau xử lý bằng tháp kỵ khí UASB và máng trồng bèo tây có pH dao động từ 6,8 - 7,1; COD giảm 80%;

NH4+ giảm 70%, PO43- giảm 58 - 65%, TSS < 80 mg/L; NO3- < 15 mg/L; tháp UASB sau khi vận hành ổn định có thể chịu tải lớn (Đặng Xuyến Như và Phạm Hương Sơn, 2005)

Nghiên cứu về khả năng xử lý chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi bằng

hệ thống biogas cho thấy nồng độ chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi giảm đáng kể sau khi qua hệ thống biogas, đặc biệt là các chỉ tiêu BOD5 và COD trong nước thải, cụ thể: BOD5 trong nước thải ở chuồng lợn nái giảm 75,0 - 80,8%, nước thải ở chuồng lợn thịt giảm 75,89 - 80,36%; COD ở chuồng lợn nái giảm 66,85%, ở chuồng lợn thịt giảm 64,94 - 69,73% Tuy nhiên, COD sau khi xử lý qua hầm biogas vẫn còn cao hơn nhiều lần so với chỉ tiêu vệ sinh cho phép (Vũ Đình Tôn và ncs, 2008)

Một nghiên cứu khác đã ứng dụng phương pháp sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược để XLNT chăn nuôi Nghiên cứu này sử dụng công nghệ cải tiến của quá trình BHT trong đó kết hợp 3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học trong một đơn vị XLNT (gọi là Upflow Sludge Blanket filteration- USBF) Mô hình kết hợp 3 giai đoạn trong một quá trình xử lý tạo ra ưu điểm lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý Hiệu suất xử lý COD, BOD5, SS, N và P tương ứng đạt khoảng 97; 80; 94; 90 và 85% (Trương Thanh Cảnh, 2010) Đối với XLNT chăn nuôi, các kết quả đạt được như thế là rất cao Tuy nhiên, điểm hạn chế của phương pháp này là chất lượng nước đầu ra phụ thuộc nhiều vào khả năng lắng của BHT và thời gian lưu trong bể lọc ngược USBF

Nghiên cứu XLNT chăn nuôi lợn tăng cường sau giai đoạn xử lý biogas bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt đã được thực hiện với nguồn nước thải sau biogas tại trang trại chăn nuôi của ông Nguyễn Văn Thanh, xã Đông Hưng, Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc bằng công nghệ thiếu khí - lọc sinh học nhỏ giọt - hồ sinh học Nghiên cứu được thực hiện với lưu lượng 0,2 m3/giờ, thời gian lưu nước tại

bể thiếu khí là 4 giờ, tại hồ sinh học là 10 ngày, diện tích bể lọc sinh học nhỏ giọt 1m2 Chất lượng nước thải chứa TSS, COD, BOD5, NH4+, TN và TP tương ứng đầu vào và đầu ra lần lượt là 1228; 1195; 534; 405; 518 và 67 mg/L và 123; 239; 117; 117; 186 và 22 mg/L, tương ứng với hiệu suất xử lý lần lượt là 90; 80; 78; 71; 64 và 66 % (Nguyễn Hoài Châu và Trần Mạnh Hải, 2010) Kết quả thu được chưa đáp ứng tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này

Một nghiên cứu khác ứng dụng công nghệ SBR để XLNT chăn nuôi lợn cũng đã đạt được hiệu suất xử lý COD khá cao Khi tỷ lệ C:N thấp trong khoảng

1 – 2, tương ứng tải lượng bùn trong khoảng 0,3 – 0,6 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý TN rất thấp 20 – 40% vì không đủ cơ chất cho quá trình khử nitrat Tỷ

lệ C:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 0,55 – 1 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý TN đạt tương đối cao và ổn định trong khoảng 75 – 85% (Đặng Thị Hồng Phương và ncs, 2012)

Nhìn chung, trong những năm qua, ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu và một số mô hình xử lý chất thải chăn nuôi được triển khai Tuy mức độ thành công của mỗi mô hình là khác nhau nhưng đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm Mặc

dù, các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi được áp dụng hiện nay đều dựa trên các công nghệ đã được áp dụng thành công trên thế giới nhưng để phù hợp với thực tiễn Việt Nam vẫn còn gặp không ít khó khăn do quy mô chăn nuôi đa dạng, vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp, trình độ và hiểu biết của người chăn nuôi chưa đáp ứng nhu cầu

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 Nhìn chung, mô hình XLNT chăn nuôi hiện nay tại nước ta mới

chỉ làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy chuẩn xả thải của ngành chăn nuôi

1.5 Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng

1.5.1 Các giai đoạn xử lý

Công nghệ MBR là quá trình xử lý sinh học kết hợp với tách loại vật lý bằng màng lọc

 Giai đoạn xử lý sinh học: Trong bể phản ứng, quá trình sinh học phân hủy

chất ô nhiễm diễn ra tương tự như các bể BHT thông thường

Các VSV sử dụng ôxy để ôxy hoá các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô

cơ có thể chuyển hoá sinh học trong nước thải, đồng thời chúng sử dụng một phần hữu cơ để sinh năng lượng và tổng hợp tế bào Do đó các chất ô nhiễm được ôxy hoá hoàn toàn

CHONS + Vi sinh + O2  CO2 + H2O + NH4+ + Tế bào mới (1.6)

(Chất hữu cơ) (Dị dưỡng) (Năng lượng)

Trong nước thải chăn nuôi lợn, thành phần đáng quan tâm trong quá trình

xử lý là hợp chất N và hợp chất hữu cơ Đối tượng chính để xử lý sẽ là hợp chất

N, vì khi xử lý được N thì đồng thời chất hữu cơ cũng được xử lý (Lê Văn Cát, 2007)

Trong nước thải hợp chất N có thể tồn tại ở các dạng: trong phân tử chất hữu cơ (protein, axit amin), dạng amoni/amoniac (tỷ lệ giữa amoni/amoniac

NH4+/NH3 phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của môi trường), nitrit, nitrat Ngoài các dạng chính kể trên, N có thể tồn tại một số dạng khác như NO, N2O, N2 (tan) và trong một số chất rắn khác như trong cấu tạo tế bào của VSV, tảo, nhưng với nồng độ thấp

Xử lý hợp chất N bằng phương pháp vi sinh bao gồm hai giai đoạn: ôxy hóa amoni thành nitrit, nitrat (quá trình nitrat hóa - nitrification); và khử nitrit, nitrat

về dạng khí nitơ (quá trình khử nitrat hóa - denitrification), tương ứng với hai quá trình hiếu khí và thiếu khí