Xử lý nƣớc thải giết mổ gia súc bằng mô hình xử lý sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) và phân lập vi sinh vật chiếm ƣu thế trong giai đoạn xử lý hiếu khí”

Do đó để giải quyết vấn đề về nước thải ngành giết mổ gia súc đề tài : “Xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng mô hình xử lý sinh học USBF Upflow Sludge Blanket Filtration và phân lập vi s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

GI PFLOW SLUDGE BLANKET FILTRATION)

: :

: 2008 - 2012

năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Cảm ơn các thầy cô Viện Công Nghệ Sinh Học và Môi Trường, trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã tận tình giúp đỡ, được sự dạy dỗ của các thầy cô đã giúp cho em tiếp thu được những kiến thức quý báu

Đồng thời cũng xin cảm ơn Ban lãnh đạo và các anh chị trong cơ sở giết mổ

Út Hảo đã cung cấp thông tin và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt bài báo cáo này

Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình học tập

Dù đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi được những thiếu sót, rất mong sự góp ý, sữa chữa của thầy cô!

Sinh viên thực hiện

BỒ BẢO GIANG

TÓM TẮT

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do ngành giết mổ thải trực tiếp ra môi trường đang

là mối quan tâm hàng đầu đối với các nhà quản lý môi trường Nước bị nhiễm bẩn sẽ ảnh hưởng đến con người và sự sống của các loài thủy sinh cũng như các loài động thực vật sống gần đó Do đó để giải quyết vấn đề về nước thải ngành giết mổ gia súc

đề tài : “Xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng mô hình xử lý sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) và phân lập vi sinh vật chiếm ưu thế trong giai đoạn xử lý hiếu khí” được thực hiện

Để hoàn thành đề tài trên cần phải thực hiện những nội dung chính sau: phân tích các chỉ tiêu cần thiết trong nước thải đầu vào (nước thải giết mổ gia súc sau hầm Biogas) để xác định khả năng xử lý sinh học của loại nước thải này; nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của mô hình xử lý sinh học USBF thông các chỉ tiêu như: COD, BOD5, SS, pH, Nitơ tổng, Photpho tổng; xác định chủng vi sinh vật chiếm ưu thế bằng cách phân lập và định danh vi sinh vật

Kết quả thu được cho thấy mô hình bể USBF có hiệu quả xử lý khá cao và ổn định đối với nước thải giết mổ gia súc sau hầm Biogas Cụ thể ở tải lượng 2 kgCOD/m3.ngày cho hiệu quả xử lý COD là 83,1% Các chỉ tiêu khác như BOD5 đạt 88,6%, Nitơ đạt 78,0%, Photpho đạt 76,1%, SS đạt 82,7%, pH có xu hướng tăng lên nhưng vẫn nằm trong khoảng cho phép của QCVN 24 - 2009 chuẩn A Chủng vi sinh

vật chiếm ưu thế trong ngăn hiếu khí là trực khuẩn Gram âm Acinetobacter junii

SUMMARY

The problem of water pollution due to slaughter industry is discharged directly into the environment are top concerns for the environmental management Contaminated water will affect the lives of humans and aquatic species as well as plants and animals living nearby In oder to solve the problem of waste water sector slaughter, the research topic: "Treatment of wastewater slaughter by bioremediation model USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) and isolated the microorganisms predominate in aerobic treatment stage" was performed

The study includes following main issues: analysis of the criteria required in wastewater, to determine the ability biological treatment of this kind wastewater; research of wastewater slaughter treatment capacity of bioremediation model USBF based on criteria such as COD, BOD5, SS, pH, nitrogen, phospho Isolation and identification of microorganisms predominate

The results obtained showed that the model tank USBF with high performance and stable for wastewater slaughter after Biogas tunnel Specifically 2 kgCOD/m3.date treatment performance resulted in: COD 83,1%; BOD5 88,6%; N 78,0%; P 76,1%; SS 82,7% ; pH tended to increase but still within the permitted range of QCVN 24 - 2009 standard A Microorganisms predominate in aerobic treatment stage was Gram-

negative bacilli, Acinetobacter junii

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu của đề tài 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

3

2.1 Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 3

2.1.1 Thành phần và cấu trúc các loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải 3

2.1.2 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên 4

2.1.3 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo 5

2.1.3.1 Xử lý hiếu khí 5

2.1.3.2 Xử lý kỵ khí 7

2.2 Sơ lược về bể USBF (Upflow Sludge Blanket Filttation) 11

2.2.1 Cấu tạo mô hình 11

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình 11

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống 14

2.2.4 Ưu điểm của USBF 15

2.2.5 Cơ sở lựa chọn công nghệ USBF để xử lý nước thải giết mổ gia súc 16

2.2.6 Các nghiên cứu về bể USBF để xử lý nước thải 16

2.3 Tổng quan về phương pháp giết mổ gia súc 17

2.3.1 Dây chuyền giết mổ trâu bò 17

2.3.2 Dây chuyền giết mổ heo 18

2.4 Nguồn gốc, thành phần và tính chất nước thải giết mổ gia súc 18

2.4.1 Nguồn gốc của nước thải giết mổ gia súc 18

2.4.2 Thành phần của nước thải giết mổ 19

2.4.3 Tính chất của nước thải giết mổ 20

2.5 Tác động đến môi trường của ngành giết mổ gia súc 21

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 22

3.2 Vật liệu 22

3.3 Phương pháp nghiên cứu 22

3.3.1 Bố trí thí ng hiệm 22

3.3.2 Thiết kế mô hình 23

3.3.3 Thí nghiệm 1 Kiểm tra chất lượng nước thải đầu vào 25

3.3.4 Thí nghiệm 2 Thí nghiệm sinh học 25

3.3.4.1 Thí nghiệm 2.1 Thí nghiệm thích nghi 25

3.3.4.2 Thí nghiệm 2.2 Thí nghiệm tăng tải lượng 26

3.3.5 Thí nghiệm 3 Thí nghiệm vi sinh 26

3.3.5.1 Thí nghiệm 3.1 Tìm nồng độ pha loãng 26

3.3.5.2 Thí nghiệm 3.2 Xác định vi sinh vật chiếm ưu thế 27

3.3.5.3 Thí nghiệm 3.3 Nhuộm Gram và xem hình thái 27

3.3.5.4 Thí nghiệm 3.4 Thử nghiệm sinh hoá 28

3.3.6 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nước thải 28

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Thí nghiệm 1 Kiểm tra chất lượng nước thải đầu vào 29

4.2 Thí nghiệm 2 Thí nghiệm sinh học 30

4.2.1 Thí nghiệm 2.1 Thí nghiệm thích nghi 30

4.2.2 Thí nghiệm 2.2 Thí Nghiệm tăng tải lượng 31

4.2.2.1 Thí nghiệm với tải lượng 1 kg COD/m3.ngày 31

4.2.2.2 Thí nghiệm với tải lượng 1,5 kg COD/m3.ngày 32

4.2.2.3 Thí nghiệm với tải lượng 2 kg COD/m3.ngày 34

4.2.2.4 Thí nghiệm với tải lượng 2,5 kg COD/m3.ngày 35

4.2.2.5 Thí nghiệm với tải lượng 3 kg COD/m3.ngày 37

4.2.2.6 So sánh hiệu quả xử lý COD ở các tải lượng 38

4.2.2.7 Hiệu quả xử lý các chỉ tiêu khác 39

4.3 Thí nghiệm 3 Thí nghiệm vi sinh 40

4.3.1 Thí nghiệm 3.1 Tìm nồng độ pha loãng 40

4.3.2 Thí nghiệm 3.2 Xác định nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế 41

4.3.2.1 Cấy lặp lại lần 2 41

4.3.2.2 Cấy lặp lại lần 3 42

4.3.3 Thí nghiệm 3.3 Xác định loại tế bào gram âm hay dương 43

4.3.4 Thí nghiệm 3.4 Thử nghiệm sinh hoá 44

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 47

5.1 Kết luận 47

5.2 Đề nghị 48

Tài liệu tham khảo 49

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF : Anaerobic Filter - Lọc kỵ khí BOD : Biochemical oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh hoá COD : Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học GMGS : Cơ sở giết mổ gia súc

DO : Dissolved Oxygen - Oxy hòa tan

dd : Dung dịch F/M : Food and microorganism ratio - Tỷ số thức ăn/vi sinh vật HRT : Hydraulic Retension Time - Thời gian lưu nước

l/h : lít/giờ MLSS : Mixed Liquor Suspended Solids - Chất rắn lơ lửng trong hỗn dịch PCA : Plate count agar

SS : Suspended Solids - Chất rắn lơ lửng QCVN : Quy chuẩn việt nam chất lượng nước thải công nghiệp TP.HCM : Thành Phố Hồ Chí Minh

USBF : Upflow Sludge Blanket Filttration - Lọc sinh học ngược dòng bùn UASB : Upflow Anaerobic Slugdge Blanket - Sinh học kỵ khí với dòng chảy VSV : Vi sinh vật

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

7

Bảng 2.2 Nguồn thải và các nguyên nhân chính 18

Bảng 2.3 Lượng chất thải trong một ngày đêm 19

Bảng 2.4 Tính chất của nước thải giết mổ gia súc 20

Bảng 3.1 Các phương pháp phân tích mẫu nước 28

Bảng 4.1 Tính chất nước thải đầu vào 29

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm thích nghi 30

Bảng 4.3 Hiệu quả xử lý COD ở tải lượng 1 kg COD/m3 ngày 31

Bảng 4.4 Hiệu quả xử lý COD ở tải lượng 1,5 kg COD/m3.ngày 33

Bảng 4.5 Hiệu quả xử lý COD ở tải lượng 2 kg COD/m3.ngày 34

Bảng 4.6 Hiệu quả xử lý COD ở tải lượng 2,5 kg COD/m3 .ngày 35

Bảng 4.7 Hiệu quả xử lý COD ở tải lượng 3 kg COD/m3.ngày 37

Bảng 4.8 Hiệu suất xử lý pH, BOD5, Nitơ tổng của mô hình 39

Bảng 4.9 Hiệu quả xử lý Photpho tổng và SS của mô hình 39

Bảng 4.10 Số lượng từng loại khuẩn lạc ở nồng độ pha loãng mẫu 10-14 40

Bảng 4.11 Số lượng từng loại khuẩn lạc ở nồng độ pha loãng mẫu 10-14 41

Bảng 4.12 Số lượng từng loại khuẩn lạc ở nồng độ pha loãng mẫu 10-14 42

Bảng 4.13 Các phản ứng sinh hoá của chủng VSV chiếm ưu thế 44

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Bể tự hoại 10

Hình 2.2 Bể UASB 10

11

Hình 3.1 Thiết kế thí nghiệm 23

Hình 3.2 Mặt cắt mô hình bể USBF 23

Hình 3.3 Mô hình thực tế bể USBF 24

Hình 3.4 Các bước tiến hành nhuộm Gram và minh hoạ kết quả 28

Hình 4.1 Đồ thị biểu thị hiệu suất xử lý COD qua từng ngày giai đoạn thích nghi 30

Hình 4.2 Hiệu suất xử lý COD của từng ngày ở tải lượng 1 kg COD/m3.ngày 32

Hình 4.3 Hiệu suất xử lý COD của từng ngày ở tải lượng 1,5 kg COD/m3.ngày 33

Hình 4.4 Hiệu suất xử lý COD của từng ngày ở tải lượng 2 kg COD/m3.ngày 35

Hình 4.5 Hiệu suất xử lý COD của từng ngày ở tải lượng 2,5 kg COD/m3.ngày 36

Hình 4.6 Hiệu suất xử lý COD của từng ngày ở tải lượng 3 kg COD/m3.ngày 37

Hình 4.7 Hiệu quả xử lý COD ở các tải lượng 38

Hình 4.8 Hiệu suất trung bình ở từng tải lượng 38

Hình 4.9 Hiệu suất xử lý pH, BOD5, Nitơ tổng, Photpho tổng và SS của mô hình 40

Hình 4.10 Khuẩn lạc các chủng vi sinh vật 43

Hình 4.11 Hình thái khuẩn lạc vi sinh vật chiếm ưu thế 43

Hình 4.12 Hình thái chủng vi khuẩn chiếm ưu thế 44

Hình 4.13 Acinetobacter junii dưới kính hiển vi diện tử 45

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Môi trường là một vấn đề hết sức cần thiết và được bàn luận một cách sâu sắc trong kế hoạch phát triển bền vững của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới

Hiện nay trái đất đang phải đối mặt với hiện trạng biến đổi khí hậu cực kỳ gay gắt

và bị đe dọa bởi sự suy thoái và cạn kiệt dần nguồn tài nguyên Nguyên nhân là do các hoạt động kinh tế xã hội của con người gây ra, các hoạt động này một mặt đã cải thiện chất lượng cuộc sống con người, mặt khác lại mang lại hàng loạt các vấn đề như khan hiếm, cạn kiệt tài nguyên và nghiêm trọng hơn nữa là gây ô nhiễm, suy thoái môi trường khắp nơi rên thế giới

Việt Nam đang trong giai đoạn thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Nền kinh tế thị trường là động lực thúc đẩy sự phát triển của mọi ngành kinh tế, trong

đó có ngành chế biến lương thực, thực phẩm tạo ra các sản phẩm có giá trị phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu Tuy nhiên, ngành này cũng tạo

ra một lượng lớn chất thải rắn, lỏng, khí Là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường chung của đất nước Cùng với ngành công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm thì ngành giết mổ cũng trong tình trạng đó Do đặc điểm công nghệ của ngành giết mổ đã sử dụng một lượng nước khá lớn trong quá trình chế biến Vì vậy, ngành giết mổ đã thải ra lượng nước khá lớn cùng với các chất thải rắn, khí thải Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do ngành giết mổ thải trực tiếp ra môi trường đang

là mối quan tâm hàng đầu đối với các nhà quản lý môi trường Nước bị nhiễm bẩn sẽ ảnh hưởng đến con người và sự sống của các loài thủy sinh cũng như các loài động thực vật sống gần đó Vì vậy việc nghiên cứu xử lý nước thải ngành giết mổ cũng như các ngành công nghiệp khác là một yêu cầu cấp thiết đặt ra không chỉ đối với những nhà làm công tác môi trường mà còn cho tất cả mọi người chúng ta

Do đó để giải quyết vấn đề về nước thải ngành giết mổ gia súc đề tài: “Xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng mô hình xử lý sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration ) và phân lập vi sinh vật chiếm ưu thế trong giai đoạn xử lý hiếu khí” được tiến hành

1.2 Yêu cầu của đề tài

Phải đánh giá được chất lượng nước thải đầu vào của nước thải giết mổ sau hầm Biogas

Đánh giá được hiệu quả xử lý của mô hình bể USBF đối với nước thải giết mổ sau hầm Biogas

Xác định được chủng vi sinh vật chiếm ưu thế trong quá trình xử lý hiếu khí

1.3 Nội dung thực hiện

Phân tích các chỉ tiêu cần thiết trong nước thải đầu vào (nước thải giết mổ gia súc sau hầm Biogas) để xác định khả năng xử lý sinh học của loại nước thải này

Vận hành mô hình nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của mô hình xử lý sinh học USBF thông các chỉ tiêu như: COD, BOD5, SS, pH, Nitơ tổng, Photpho tổng

Xác định chủng vi sinh vật chiếm ưu thế bằng cách phân lập và định danh VSV

2.1 Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Trong nhiều biện pháp xử lý nước thải thì biện pháp sinh học được mọi người đặc biệt quan tâm sử dụng So với các biện pháp xử lý hóa học và vật lý thì biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đầu tư do chi phí thấp Xử

lý nước thải bằng biện pháp sinh học sẽ không gây tái ô nhiễm – một nhược điểm mà

xử lý bằng hóa học và vật lý hay mắc phải Biện pháp xử lý sinh học là sử dụng các loại vi sinh vật để đồng hóa các nguồn cơ chất khác nhau như: tinh bột, cellulose, dầu

mỏ, các hợp chất cao phân tử protein, litpit, cùng các kim loại nặng như chì, thủy ngân Các vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải để làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các chất đơn giản hơn Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng

và sinh sản nên sinh khối được tăng lên

Biện pháp sinh học để xử lý nước thải có thể làm sạch các loại nước thải công nghiệp chứa các chất bẩn hòa tan hoặc phân tán nhỏ Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi chất thải

Hàm lượng các chất hữu cơ được phân rã bởi vi sinh vật được đánh giá theo các chỉ số “tiêu thụ sinh học oxy” BOD Đó là lượng oxy cần cho vi sinh vật để oxy hóa vật liệu hữu cơ trong quá trình hô hấp Ví dụ BOD5 có nghĩa là lượng oxy (mg) cần cho vi sinh vật trong quá trình phân rã các chất hữu cơ thời gian 5 ngày Chỉ số “tiêu thụ hóa học oxy” COD biểu thị lượng oxy cần trong quá trình oxy hóa hóa học hoàn toàn các chất đến CO2 và H2O

2.1.1 Thành phần và cấu trúc các loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

Yếu tố quan trọng nhất của biện pháp xử lý sinh học để xử lý nước thải là sử dụng bùn hoạt tính (activated sludge) hoặc màng sinh vật Bùn hoạt tính cũng như màng sinh vật là tập hợp nhiều loại vi sinh vật khác nhau

Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước từ 3 – 150mbao gồm các vi sinh vật sống và cơ chất rắn (40%) Những vi sinh vật sống gồm có vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số nguyên sinh động vật, dòi, giun

Màng sinh vật dày khoảng 1 – 3 mm, có dạng nhầy và được phát triển ở bề mặt các vật liệu lọc, có màu vàng xám hoặc nâu tối tùy vào thành phần của nước thải Màng sinh vật cũng gồm có vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và một số nguyên sinh động vật khác

Muốn đưa bùn hoạt tính vào các thiết bị xử lý ta cần phải “khởi động” bùn, tức là làm cho các loại bùn gốc (thường kém hoạt tính) được nuôi dưỡng trở thành loại bùn

có hoạt tính cao và tính kết lắng tốt, ta gọi đó là quá trình hoạt hóa bùn Cuối thời kỳ

“khởi động” bùn sẽ có dạng hạt, các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ

vỡ ra khác nhau khi chịu tác động của khuấy trộn Sự tạo hạt của bùn ở dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào tính chất và nồng độ của bùn gốc, chất lượng môi trường cho thêm vào để hoạt hóa bùn, phương thức hoạt hóa và cuối cùng là thành phần các chất

có trong nước thải Loại bùn gốc tốt nhất là loại bùn lấy từ bể xử lý nước thải đang hoạt động hoặc lấy bùn chưa thích nghi từ các bể xử lý theo kiểu tự hoại, bùn cống rãnh, kênh rạch bị ô nhiễm, bùn phân heo, phân bò đã phân hủy Các vi sinh vật trong bùn này nghèo về số lượng nhưng đa dạng về chủng loại (Lê Xuân Phương, 2008)

2.1.2 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên

Cơ sở khoa học của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nước dưới tác động của các tác nhân sinh học có trong tự nhiên, nghĩa là thông qua các hoạt động tổng hợp của động vật, thực vật và vi sinh vật để làm biến đổi nguồn nước thải bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ Từ đó giảm được hàm lượng COD

và BOD trong nước thải xuống tới mức cho phép và các nguồn nước này có thể dùng

để tưới cây trồng hoặc nuôi thủy sản

Biện pháp xử lý này được áp dụng cho các loại nước thải công nghiệp có mức độ nhiễm bẩn không cao hoặc nước thải sinh hoạt Việc xử lý nước thải này thường được thực hiện bằng các cánh đồng tưới, bãi lọc hoặc hồ sinh học

Diễn biến của quá trình xử lý như sau: người ta cho nước thải chảy vào các thửa ruộng, cánh đồng trống có ngăn bờ hoặc cho chảy vào các ao, hồ có sẵn Nước thải sẽ thấm qua lớp đất bề mặt và cặn sẽ được giữ lại ở đáy Trong quá trình tồn dư nước thải

ở đây, dưới tác động của các vi sinh vật cùng các loài tảo, thực vật sẽ xảy ra quá trình oxy hóa sinh học chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn Quá trình oxy hóa sinh học xảy ra nhờ sự hiện diện của oxy từ không khí hoặc do

sự quang hợp của tảo và thực vật tiết ra Càng xuống lớp đất ở phía sâu lượng oxy

càng giảm và sự oxy hóa sinh hóa cũng giảm dần Cuối cùng đến một độ sâu nhất định chỉ còn sự hoạt động của vi khuẩn gây quá trình khử Nitrat

Ở các đô thị của Việt Nam có rất nhiều ao hồ, sông rạch vì vậy việc xử lý nước thải sinh hoạt do thành phố thải ra bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên là khá thích hợp Biện pháp này ít tốn kém vốn đầu tư, việc bảo trì vận hành không đòi

hỏi có người quản lý thường xuyên

2.1.3 Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo

2.1.3.1 Xử lý hiếu khí

Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh học trong điều kiện hiếu khí:

Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo và phân tán nhỏ sẽ được chuyển hóa bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật Sau đó là giai đoạn khuếch tán và hấp thụ các bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào qua màng bán thấm Các chất vào trong tế bào dưới tác dụng của hệ enzym nội bào sẽ được phân hủy Quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong tế bào chất trong tế bào sống là các phản ứng oxy hóa khử, có thể biểu diễn ở dạng tổng quát như sau:

Các chất + O2 vi sinh vật + sản phẩm đã được bẩn hữu cơ oxy hóa (đường, rượu, bào VSV CO2, H2O) và sản phẩm phụ )

Sự oxy hóa các chất hữu cơ và một số khoáng chất trong tế bào vi sinh vật nhờ vào quá trình hô hấp Nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thác được trong quá trình hô hấp mà chúng có thể tổng hợp các chất để phục vụ cho quá trình sinh trưởng, sinh sản Kết quả là số lượng vi sinh vật không ngừng được tăng lên Các quá trình trên liên tục xảy ra, nồng độ các chất xung quanh tế bào sẽ giảm dần Các thành phần thức ăn mới

từ môi trường bên ngoài lại khuếch tán và bổ sung thay thế vào Thông thường quá trình khuếch tán các chất trong môi trường xảy ra chậm hơn quá trình hấp thụ qua màng tế bào, do vậy nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp hơn nơi xa tế bào Đối với sản phẩm của tế bào tiết ra thì ngược lại, nhiều hơn so với nơi xa tế bào (Trần Cẩm Vân, 2003)

Quá trình chuyển hóa vật chất:

Quá trình oxy hóa chất hữu cơ: (đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào)

CxHyOzN + O2 CO2 + NH3 + H2O + Q

Quá trình tổng hợp tế bào: (tổng hợp xây dựng tế bào)

CxHyOz + NH3 + O2 C5H7NO2 + CO2 + H2O + Q Quá trình oxy hóa nội bào (tự oxy hóa): nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hóa thì khi không đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra quá trình tự oxy hóa:

C5H7NO2 + O2 CO2 + NH3 +H2O + Q

Trong quá trình oxy hóa sinh hóa hiếu khí, các chất hữu cơ chứa N, S, P cũng được chuyển thành NO3-, SO42-, PO43-, CO2, H2O

NH3 + O2 VSV HNO2 + O2 +vsv HNO3 Khi môi trường cạn nguồn C hữu cơ, các loại vi khuẩn Nitơrit hóa

(Nitrosomonas) và Nitơrat hóa (Nitrobater) thực hiện quá trình Nitơrat hóa theo 2 giai

đoạn:

55NH4+ + 76O2 + 5CO2 C5H7NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109 H+

400 NO2- + 19 O2 + NH3 + 2 H2O + 5CO2 Nitrobater C5H7NO2 + 400 NO3-

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiếu khí: để quá trình xử lý xảy ra tốt người

ta theo dẽo và điều chỉnh các yếu tố môi trường sau:

Oxygen (O2): trong quá trình xử lý hiếu khí thì oxy đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong suốt quá trình xử lý cần phải liên tục cung cấp đủ hàm lượng oxy để cho các vi sinh vật hoạt động tốt quá trình xử lý

Nồng độ các chất hữu cơ: phải thấp hơn ngưỡng cho phép, có nhiều

cao trong nước thải sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sống của vi sinh vật tham gia xử lý Cần phải kiểm tra chất lượng nước thải đầu vào như chỉ số BOD, COD để biết được loại nước thải đó có phù hợp để xử lý sinh học hay không Thí dụ nếu sử dụng bể lọc sinh học thì nước thải phải có hàm lượng BOD thấp hơn hoặc bằng

500 mg/l, nếu sử dụng bể Aerotank thì hàm lượng BOD phải không vượt quá 1.000 mg/l Nếu nước thải có các chỉ số vượt quá chỉ tiêu nói trên thì cần phải qua một công đoạn xử lý hoặc pha loãng để giảm hàm lượng chất bẩn trong nước thải

Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật: để vi sinh vật tham gia thực hiện quá trình oxy hóa nước thải một cách có hiệu quả, thì cần thiết phải cung cấp cho chúng đầy đủ chất dinh dưỡng trong môi trường sống (Lê Xuân Phương, 2008)

Ngoài các chất trên còn có một số chất khác như K, Ca, S Mà trong nước thải đã

có sẵn không cần phải thêm vào Các chất dinh dưỡng trên rất cần cho hoạt động sống của vi sinh vật, nếu thiếu sẽ làm kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình oxy hóa sinh học

Để xác định sơ bộ hàm lượng các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình xử lý có thể chọn tỉ lệ sau:

BODtp : N : P = 100 : 5 : 1 Ngoài ra còn có các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiếu khí như nhiệt độ, pH Vi sinh vật trong bể xử lý hiếu khí hoạt động tốt ở pH 6,5 – 8,5, và nhiệt

độ thích hợp trong bể xử lý là khoảng 370C

Các dạng công trình xử lý hiếu khí: để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí thường sử dụng bể lọc sinh học (Biofilter) và bể sục khí (Aerotank)

2.1.3.2 Xử lý kỵ khí

Quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện kỵ khí là quy trình sinh học phân hủy một cách yếm khí các chất hữu cơ chứa trong nước thải để tạo khí CH4, các sản phẩm vô cơ kể cả CO2 và NH3

Quy trình này có những ưu điểm sau:

- Nhu cầu về năng lượng không nhiều

- Tạo khí sinh học trong đó có CH4 (70 – 75%)

- Cũng như xử lý hiếu khí, ở quy trình này cũng sử dụng bùn hoạt tính để biến đổi thành phần của nước thải Nhưng bùn hoạt tính ở quy trình này có tính ổn định cao, lượng bùn dư thấp, để duy trì hoạt tính của bùn không đòi hỏi nhiều chất dinh dưỡng, bùn có thể tồn trữ một thời gian dài

- Về mặt thiết bị: công trình cấu tạo khá đơn giản, có thể làm bằng vật liệu tại chỗ với giá thành không cao

Bên cạnh những ưu điểm trên, cho đến nay quy trình xử lý sinh hoc kỵ khí cũng còn một số hạn chế sau:

- Quy trình này nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình Do vậy, khi sử dụng cần có sự theo dõi các yếu tố môi trường

- Xử lý nước thải chưa triệt để, cần phải xử lý hiếu khí sau đó

Cơ chế phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí: trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2 Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ yếu diễn

ra theo nguyên lý lên men qua các bước sau

Bước 1: thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu

cơ đơn giản hơn như monosacharit, amino axit hoặc các muối khác Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động

Bước 2: các nhóm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa

các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axêtic, glyxêrin, axêtat

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí:

Oxygen: trong xử lý kỵ khí nước thải, oxygen được coi là độc tố đối với vi sinh vật Do đó lý tưởng nhất là tạo được điều kiện kỵ khí tuyệt đối trong bể xử lý

Chất dinh dưỡng: ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sống của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Vì vậy cần phải cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong suốt quá trình phân hủy Cũng như các vi sinh vật khác, vi sinh vật phân giải kỵ khí cũng đòi hỏi các chất dinh dưỡng chính yếu bao gồm các hợp chất chứa Cacbon, Nitrogen, Phospho và một số nguyên tố vi lượng với tỉ lệ thích hợp Nếu không cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân giải các chất trong nước thải Việc cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng đầy đủ tạo cho bùn có tính lắng tốt và có hoạt tính cao, hoạt động tốt trong quá trình xử lý

Nhiệt độ: nhóm các vi sinh vật kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ, và ở mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp với mỗi nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau

Vùng nhiệt độ cao: 450C – 650C (Thermophilic)

Vùng nhiệt độ trung bình: 200C – 450C (Mesophilic)

Vùng nhiệt độ thấp: Dưới 200

C (Psychrophiric)

Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động nhóm vi sinh vật lên men mêtan,

ở vùng nhiệt độ này lượng khí mêtan tạo thành cao Đối với vùng nhiệt độ cao (450C –

650C), để duy trì nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp thêm lượng nhiệt, điều này sẽ gây tốn kém cho công trình, tính kinh tế cho công trình sẽ bị hạn chế Ở nước ta nhiệt

độ trung bình từ 200

C – 450C sẽ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở nhiệt độ trung bình phát triển

pH: trong quy trình xử lý kỵ khí, pH ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy các chất hữu

cơ Khi pH giảm mạnh (pH < 6) sẽ làm giảm quá trình sinh khí mêtan và các axit trung gian sẽ tích lũy nhiều làm các phản ứng phân hủy khó thực hiện và dẫn đến dừng quá trình axit hóa pH tối ưu cho quá trình xử lý kỵ khí là 6,5 – 8,5

Các độc tố: một số hợp chất như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 Và các ion tự do của kim loại nặng có nồng độ 1 mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật kỵ khí S2-được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo mêtan Các hợp chất NH4+ ở nồng độ 1,5 – 2 mg/l gây ức chế quá trình lên men kỵ khí (Lê Xuân Phương, 2008)

Các dạng công trình xử lý kỵ khí:

bể tự hoại nhưng ở quy mô lớn hơn, xử lý nước thải vơi công suất lớn hơn

Bể mêtan cổ điển được ứng dụng để xử lý cặn lắng và bùn hoạt tính dư của trạm

xử lý nước thải

Bể lọc kỵ khí AF (Anaerobic Filter): ở công trình này quá trình xử lý thực hiện qua vật liệu lọc để vi sinh vật kỵ khí dính bám vào và thực hiện quá trình chuyển hóa sinh hóa các chất hữu cơ chứa trong nước thải và đồng thời tránh sự rửa trôi của màng

vi sinh vật

công trình này thực hiện 2 chức năng lắng và chuyển hóa cặn lắng của nước thải bằng quá trình phân giải sinh học kỵ khí

Hình 2.1 Bể tự hoại

(www.firstwateruk.com)

Bể xử lý sinh học kỵ khí với dòng chảy ngược qua bông bùn hoạt tính UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) cấu tạo gồm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn phân hủy Bằng biện pháp thiết kế khá đặc biệt của ngăn lắng cùng với tính lắng tốt của bùn kỵ khí sử dụng trong công trình, người ta giải quyết được vấn đề lưu lại nồng độ sinh khối bùn cao trong bể và giảm được thời gian lưu nước

Hình 2.2 Bể UASB

(www.uasb.org) Ngoài các kiểu công trình trên, trong thực tế người ta còn nghiên cứu hình thành các dạng công trình kết hợp giữa công trình UASB và AF hoặc công trình bùn lỏng

2.2 Sơ lược về bể USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration)

2.2.1 Cấu tạo mô hình

Mô hình gồm có 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic)

và ngăn lắng lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF)

(www.somico.com.vn)

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình

Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ C, quá trình Nitrat hóa/khử Nitrat và loại bỏ dinh dưỡng (N, P) Nước thải trước khi xử lý bằng mô hình được lấy từ bể điều hòa đã được loại bỏ chất rắn, sau đó được bơm định lượng vào ngăn thiếu khí trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic selection)

sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt Quá trình loại bỏ C, khử Nitrat và loại

bỏ P diễn ra trong ngăn này Sau đó nước thải chảy tự động từ ngăn thiếu khí qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Ở đây Oxy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm khí Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF

và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra và tự động chảy ra ngoài Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí

Các quá trình diễn ra trong hệ thống

Quá trình khử C: các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới trình khử C nơi diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn USBF

Quá trình Nitrat hóa (Nitrification) và khử Nitrat hóa (Detrinification): trong mô hình nghiên cứu này, hai quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra trong hai ngăn khác nhau là ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí nhằm loại bỏ Nitơ ra khỏi hệ thống

Quá trình Nitrat hóa diễn ra chủ yếu trong ngăn hiếu khí của hệ thống Đây là quá trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ trong nước (trước hết là Amoni, NH4+) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng

NH4+ + 2 O2  NO3- + 2 H+ + H2O Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn Nitrit hóa và giai đoạn Nitrat hóa

Giai đoạn Nitrit hóa: NH4+ sẽ được oxy hóa thành Nitrit nhờ vi khuẩn Nitrit hóa

(Nitrosomonas và Nitrosospira) theo phương trình phản ứng sau:

NH4+ + 1,5 O2  NO2- + 2 H+ + H2O

Giai đoạn Nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn Nitrat hóa

(Nitrobacteria) theo phương trình phản ứng sau

NO2- + 0,5 O2  NO3Quá trình khử Nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí, là quá trình khử Nitrat tạo ra sản phẩm cuối cùng là Nitơ phân tử

-NO3-  N2Trong quá trình này dòng tuần hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng một vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO3-(sản phẩm của quá trình Nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí) Dòng tuần hoàn bùn

sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình Đây là một trong những

ưu điểm của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản

Quá trình khử Photpho: photpho có trong nước thải cả dưới dạng các hợp chất vô

cơ và hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng P dưới dạng Orthophotphat, Polyphotphat để duy trì hoạt động, dự trữ và vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, trong môi trường thiếu khí các vi khuẩn sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P Dòng P hòa tan từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn ưa P hấp phụ và tích lũy Các

vi khuẩn này hấp phụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc phục vụ cho việc tổng hợp và duy trì tế bào, vận chuyển năng lượng, chúng còn tích lũy một lượng dư vào trong tế bào để sử dụng cho giai đoạn hoạt động sau Trong ngăn USBF, nhờ quá trình lắng của bùn hoạt tính nên P sẽ được loại bỏ Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa P sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí sẽ tiếp tục phát triển và hấp phụ các P hòa tan có trong ngăn hiếu khí

Quá trình lọc sinh học và lắng trong ngăn USBF: ngăn này là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng quá trình lọc dòng ngược với quá trình lắng diễn ra ở đây Ngăn USBF có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng xuống, mặt bên là các hình tam giác Vì vậy việc thu hồi bùn lắng và tuần hoàn bùn rất thuận lợi và dễ dàng Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén của bùn lắng Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ lững lâu hơn do các lý do sau

- Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng

- Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc Khi các bông bùn đủ

nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước

- Sự tuần hoàn bùn hoạt tính ở đáy ngăn USBF tạo ra một gradient vận tốc hướng xuống Điều này thật có ý nghĩa vì hiệu suất lọc và tiếp tục xử lý sinh học sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là một

số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng xử lý của hệ thống:

Chế độ thủy động: chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với nước thải, trạng thái lơ lững và sự phân bố bùn lơ lững đồng đều

Hàm lượng oxy hòa tan (DO): nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí Trong mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2 mg/l và trong ngăn hiếu khí là khoảng 2 – 4 mg/l Như vậy ngăn thiếu khí không cần sục khí còn ngăn hiếu khí phải sục khí

Nhiệt độ: nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả năng hòa tan của oxy hòa tan trong nước Nếu nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bị chết Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp , quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị chậm lại, quá trinh Nitrat hóa, lắng bị giảm hiệu suất rõ rệt Nhiệt

độ tối ưu là khoảng từ 20 – 350C phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm

pH: ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 – 8,5

Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): các chất dinh dưỡng như C, N, P là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Ở một số hệ thống xử

lý nước thải người ta thường bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật Tuy nhiên trong mô hình USBF thì không cần thiết phải thêm vào do thiết kế quá trình đặc biệt đã đảm bảo các điều kiện dinh dưỡng hỗ trợ lẫn nhau của các công đoạn của

vi sinh vật, mặt khác trong nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết (Nguyễn Hàn Mộng Du, 2006)

2.2.4 Ưu điểm của USBF

- Giảm chi phí đầu tư: USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một bể làm giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình

- Chi phí vận hành và bảo trì thấp: với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình

và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì

- Hiệu suất xử lý cao: với thiết kế gọn là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu

cơ dạng carbon (BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N, P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu

- Lượng bùn thải bỏ ít: hệ thống được thiết kế với tuổi bùn tối thiểu là 25 ngày nên lượng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường

- Hạn chế mùi: dưới điều kiện phân hũy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm những tác nhân gây mùi

- Thay đổi thể tích linh động: bể lắng hình thang trong bể tạo không gian trống

để các phản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể tích linh động, tác động lên thể tích của các công đoạn còn lại

- Thiết kế theo đơn nguyên: do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công trình nên USBF gần như một công trình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểu dáng là hình khối chữ nhật nên rất thuận tiện để thiết kế thành từng đơn nguyên Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết kế công trình linh động hơn về mặt bằng, công suất hệ thống

- Tăng cường khả năng làm khô bùn: sự gia tăng tuổi bùn trong hệ thống sẽ cải thiện cấu trúc đặc tính cơ học làm cho quá trình làm khô bùn xảy ra nhanh hơn

- Không cần bể lắng đợt 1: công nghệ USBF thường không cần bố trí bể lý đợt

1 phía trước Đối với các hệ thống lớn chỉ cần trang bị hệ thống sàn rác, loại cát để đảm bảo cho yêu cầu xử lý sinh học

- Tiết kiệm mặt bằng sử dụng: Công nghệ USBF kết hợp tất cả các quá trình khử Nitrat, Nitrat hóa, lắng và ổn định bùn trong một công trình làm giảm kích thước chung của công trình dẫn đến tiết kiệm mặt bằng sử dụng

2.2.5 Cơ sở lựa chọn công nghệ USBF để xử lý nước thải giết mổ gia súc

Dựa vào thành phần tính chất nước thải giết mổ ta thấy tỷ lệ BOD/COD 0,5 vậy hoàn toàn phù hợp xử lý sinh học Mặt khác công nghệ USBF lại có khả năng xử

lý nước thải có nồng độ COD cao do có các đặc điểm sau:

- Khả năng chịu tải cao và ít bị sốc tải

- Không phải kiểm soát lượng bùn

- Ít tốn năng lượng

- Xử lý hiệu quả chất hữa cơ cao

- Hạn chế trôi bùn

- Khối tích công trình nhỏ

- Vận hành đơn giản và dễ bảo trì

2.2.6 Các nghiên cứu về bể USBF để xử lý nước thải

Bể USBF được thiết kế dựa trên mô hình động học xử lý BOD, Nitrat hóa (nitrification) và khử Nitrat (dinitrification) của Lawrence và McCarty, làn đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1990, sau đó được áp dụng ở châu Âu từ năm 1998 trở lại đây Tuy nhiên hiện nay trên thế giới mô hình của Lawrence và McCarty được

áp dụng kết hợp trên nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi nước Nước ta cũng có một số nghiên cứu về công nghệ này như : “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học cải tiến USBF (the Upflow Slugde Blanket Filter)” của Trương Thanh Cảnh, Trần Công Tấn, Nguyễn Quỳnh Nga và Nguyễn Khoa Việt Trường trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP.HCM năm 2006

Đề tài nghiên cứu cấp bộ (trọng điểm Đại học Quốc Gia) “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ bùn hoạt tính USBF (the Upflow Slugde Blanket Filter)” Kết quả nghiên cứu trong báo cáo này thì hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm là khá cao, nước thải sau xử lý có thể đạt tiêu chuẩn loại A Hiệu quả xử lý cụ thể của một số chỉ tiêu như sau: SS 96%, COD 97,5%, BOD5 99,2%, N 96,6% và P 95,2%

Đề tài “Nghiên cứu bể USBF để xử lý nước thải chợ đầu mối Thủ Đức” của thạc

sĩ Phạm Trung Kiên năm 2008 cho kết quả là mô hình bể USBF rất thích hợp cho xử

lý nước thải chợ và các loại nước thải có đặc tính tương tự Cụ thể là hiệu quả xử lý COD 91,9%, BOD5 91%, N 84%, P 80%, SS 85%

Nghiên cứu trên nước thải cồn rượu: theo như nghiên cứu hệ thống xử lý nước thải cồn rượu trong phòng thí nghiệm với khoảng thời gian là 380 ngày Thí nghiệm đã

cho một số kết quả sau: mô hình đã sử dụng bùn từ bể phân hủy kỵ khí Nước thải được đưa vào bể xử lý với tỷ trọng khoảng 36 kg COD/m3/ngày Thời gian lưu nước là

6 giờ, hiệu quả xử lý COD đạt khoảng 80% Quá trình xử lý sinh học biogas giàu mêtan (80% với nồng độ 0,4 CH4/kg COD)

Nghiên cứu hiệu quả xử lý trên nước thải luộc gỗ: trung bình, một tấn gỗ sau khi sản xuất thải ra khoảng 3 - 5 m3 nước thải với nồng độ COD khoảng 40000 mg/l và

pH 3 bên cạnh đó trong thành phần nước thải có phenol và tamin Sau khi nghiên cứu

xử lý nước thải luộc gỗ trên mô hình USBF thì ta nhận thấy hiệu quả xử lý là 90% COD ở tải trọng 6,5 – 8,5 kg COD/m3, 80% COD chuyển thành mêtan Tổng chất rắn

lơ lửng loại bỏ khoảng 54%

Kết luận: Công nghệ USBF có khả năng xử lý nước thải có tải trọng cao (36 kg COD/m3.ngày) và có khả năng thu hồi lượng khí sinh học sinh ra

2.3 Tổng quan về phương pháp giết mổ gia súc

2.3.1 Dây chuyền giết mổ trâu bò

Khu vực tiếp nhận: để giảm thiểu căng thẳng của gia súc, chống suy kiệt và tống các vi trùng ra khỏi ruột, các gia súc sẽ được lưu lại từ 24 – 36 giờ và thường xuyên được kiểm tra sức khỏe trước khi giết mổ

Gây ngất: các gia súc được chuyển từ khu vực tiếp nhận đến khu vực giết mổ, tại đây các gia súc sẽ được gây ngất bằng điện trước khi mổ và đảm bảo không cử động, cắm một con dao nhỏ vào não của gia súc và sau đó treo lên bằng hai chân sau

Giết mổ: mạch máu được cắt đứt để huyết chảy ra, sừng chân cũng được cắt rời trước khi lột da

Lột da: da sẽ được lột bỏ bằng những con dao sắc và kéo ra bằng tay, huyết và nước mô rơi xuống nhà

Moi ruột: thân gia súc đã được lột da được cắt mỡ ra và tách các bộ phận có thể

ăn được và không thể ăn được đến khâu làm sạch

Xé thịt và rửa: thân gia súc sẽ được xẻ đôi bằng cưa điện, rửa sạch và cắt xén gọn gàng trước khi kiểm tra chất lượng, cân và giao cho chủ hàng và chuyển đến khu vực chế biến

2.3.2 Dây chuyền giết mổ heo

Trại nhốt: heo được nhốt trong 24 giờ để phục hồi và giảm căng thẳng và đủ nước

để tống các vi trùng ra khỏi ruột

Làm ngất: trước khi mổ, heo bị làm ngất bằng dòng điện tần suất cao, điện áp thất

và được kéo lên giá treo để mổ

Cắt tiết: động mạch và tĩnh mạch cổ được cắt đứt để máu chảy ra hết và làm mềm các cơ thịt để cạo lông được dễ dàng

Nhúng nóng và cạo lông: sau khi thọc huyết xong, heo được nhúng vào nước nóng (khoảng 600C) từ 4 – 5 phút rồi cạo lông bằng máy có trục xoay tròn, sau đó heo được kéo lên dây chuyền và lông heo còn sót lại sẽ được cạo bằng tay

Moi ruột: đầu heo được cắt riêng và bụng heo được mổ banh ra Phần nội tạng sẽ được chuyển đi để tách ra các thành phần dùng được và không dùng được Ruột được làm sạch để làm lạp xưởng

Cắt xẻ: phần thân heo sau khi được làm sạch và cắt gọn, được xẻ đều làm hai phần Mỗi phần lại được làm sạch một lần nữa và được kiểm tra chất lượng trước khi

giao đi

2.4 Nguồn gốc, thành phần và tính chât nước thải giết mổ gia súc

2.4.1 Nguồn gốc của nước thải giết mổ gia súc

Bảng 2.2 Nguồn thải và các nguyên nhân chính

Hoạt động Nguồn chất thải tạo ra Các nguyên nhân

Chuồng trại Trại nhốt bò

Rửa gia súc trước khi thu gom Thiết bị thu gom huyết chưa phù hợp Chất lỏng từ ruột, bao tử khi mổ ra Huyết trong khi làm sạch

Cạo lông Nhúng nước nóng Nước thải từ bể nhúng nóng

Không thu gom lông

Nước thải của các cơ sở giết mổ thường chứa một hàm lượng lớn chất hữu cơ như protein, dầu mỡ, axit béo Nếu không có biện pháp xử lý thì rất dễ gây ô nhiễm cho nguồn tiếp nhận

Nước thải của các cơ sở giết mổ thường bắt nguồn từ nước thải của quá trình sản xuất, nước vệ sinh thiết bị nhà xưởng, nước vệ sinh cho các công nhân nhà máy Ngoài

ra ngành giết mổ là một ngành đòi hỏi sử dụng nước rất nhiều, hầu như các khâu xử lý nguyên liệu đều có dùng nước

2.4.2 Thành phần của nước thải giết mổ

Chất thải rắn: chất thải rắn chủ yếu là lông, huyết ứ, đầu mẫu thừa và phân heo Trong quá trình giết mổ gia súc chất thải rắn hầu như không được thu gom, công nhân thường xịt nước thật nhiều cho trôi xuống hố gas hoặc đường cống, sau đó lấy lên cùng với cặn và bùn lắng Đây cũng là một trong những công đoạn sử dụng rất nhiều nước vì phải xịt với áp lực mạnh thì lông, phân mới có thể trôi đi được Ngoài ra phần chất thải rắn nếu không được người dân xung quanh đem về ủ làm phân bón thì sẽ trực tiếp thải ra môi trường, đây sẽ là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và lây truyền các mầm bệnh

- Phân: trong phân chứa một phần rất nhỏ rác, chất độn và thức ăn dư thừa lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần thức ăn và trọng lượng gia súc

Bảng 2.3 Lượng chất thải trong một ngày đêm

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

trùng giun sán Về họ vi trùng Enterobacteria chiếm đa số với các gens điển hình như

E coli, Salmonella Nhiều loại vi trùng, vi rút được đào thải qua phân và sống sót với thời gian từ 5 – 15 ngày trong phân và đất Lượng phân không chỉ đào thải ra ngoài

trong thời gian lưu heo ở chuồng mà một lượng lớn tồn tại trong bụng, thức ăn chưa

được tiêu hóa hết Khi giết mổ, phân, thức ăn này thải ra ngoài theo hệ thông thoát nước chung Theo kết quả khảo sát trung bình một con heo hạ mổ lượng thức ăn chưa

tiêu hóa hết và phân trong bụng heo khoảng 3,7 kg (Lâm Quang Ngà, 1998)

- Lông: hiện nay, hầu hết các CSGMGS lớn trên địa bàn TP.HCM đều hợp tác với công ty môi trường đô thị hằng ngày đến thu gom chất thải rắn là lông và xương, đầu mẩu không thể sử dụng được Một số ít trong khu dân cư thuộc ngoại thành cho bà con tận dụng làm phân bón

Nước thải: nước thải các nguồn phát sinh nước thải trong công đoạn giết mổ, nước rửa chuồng trại, nước nóng cạo lông, nước mổ có lẫn máu, nước làm lòng Hầu hết các công đoạn trong quy trình giết mổ đều sử dụng nước Ước tính lượng nước thải trung bình mỗi con heo khi giêt mổ là gần 0,5 m3 và lượng nước sử dụng cho tắm heo thường xuyên dao động trong khoảng 130 – 180 lít/con/ ngày Lượng nước thải lớn với nồng độ ô nhiễm cao nhưng hầu như không được xử lý, nước chỉ cho qua bể lắng hoặc

hố gas trước khi thải ra ngoài

2.4.3 Tính chất của nước thải giết mổ

Bảng 2.4 Tính chất của nước thải giết mổ gia súc

Nước thải của các cơ sở giết mổ có nồng độ chất rắn cao, BOD và COD khá cao

và luôn chứa một hàm lượng lớn chất hữu cơ bao gồm các hợp chất của cacbon, Nitơ, Photpho Các chất hữu cơ này làm tăng độ phì của nước đồng thời dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi hôi thối và làm ô nhiễm nguồn nước

2.5 Tác động đến môi trường của ngành giết mổ gia súc

Các vấn đề môi trường trong hoạt động giết mổ gia súc chủ yếu của các lò mổ là nước thải, ngoài ra còn có một số vấn đề tiếng ồn, chất thải rắn và lục phủ ngũ tạng thừa của gia súc

Nước thải của các cơ sở giết mổ gia súc thường ô nhiễm do các thành phần chất hữu cơ như huyết rơi vãi, huyết ứ đọng trong bụng, protein, nitơ, photpho, các chất tẩy rửa và chất bảo quản thực phẩm Trong nước thải có mang nhiều vi khuẩn, vi sinh gây bệnh là tác nhân truyền bệnh Những VSV có thể sống trong những môi trường khác

nhau như đất, không khí trong một thời gian dài như E coli, Vibrio conma Nhiều loại

vi sinh có thể tồn tại ở dạng nhuyễn thể Do hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải giết mổ gia súc cao, nồng độ đậm đặc nên khi thải vào các nguồn tiếp nhận nếu không xử lý triệt để sẽ làm ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Các hợp chất hữu cơ trong nước thải giết mổ chủ yếu là cacbonhydrat Đây là các hợp chất dễ bị VSV phân hủy bằng cơ chế sử dụng oxi hòa tan trong nước để oxi hóa các hợp chất hữu cơ Nhu cầu ô xi hóa tỉ lệ với nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước Sự ô nhiễm chất hữu cơ sẽ dẫn đến suy giảm nông độ oxy hòa tan trong nước, gây tác hại nghiêm trọng đến hệ thủy sinh

Không khí: để kiểm soát ô nhiễm không khí là một vấn đề nan giải trong hoạt động giết mổ gia súc Vì giết mổ gia súc dễ làm khuếch tán các chất ô nhiễm trong môi trường không khí Vấn đề ô nhiễm không khí tại các lò mổ chủ yếu phát sinh từ các nguồn sau: từ khu vực nhốt gia súc; từ khu giết mổ; từ khu làm lòng; từ các khu xử lý

sơ bộ; từ các chảo trụng Các chất ô nhiễm không khí thường gặp là SO2, NO2, CO,

CO2, NH3, CH4.

Ngoài ra còn phải kể đến tiếng ồn, tiếng ồn được phát sinh từ các hoạt động vận chuyển heo sống, vận chuyển heo thành phẩm, nhốt heo, đập heo Tiếng ồn này không lớn lắm nhưng cũng gây ảnh hưởng đến người dân xung quanh

Chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động giết mổ gia súc chủ yếu là: lông, phân, thức ăn dư thừa, các bộ phận cắt bỏ từ gia súc bị bệnh Các thành phần chất thải này thường được gom lại để cho nông dân bón cây hoặc nuôi trồng thủy sản Tuy nhiên lượng chất rắn này phải tồn đọng một thời gian là nguyên nhân phát sinh mùi hôi

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Đề tài được thực hiện trong thời gian từ 15/12/2011 – 15/6/2012 tại phòng thí nghiệm khoa Môi Trường và Tài Nguyên và Viện Công Nghệ Sinh Học và Môi Trường của trường Đại học Nông Lâm TPHCM

3.2 Vật liệu

Đối tượng cần nghiên cứu là mẫu nước thải giết mổ gia súc sau hầm Biogas của

cơ sở giết mổ gia súc Út Hảo (khu phố Đông Tân, phường Tân Bình, thị xã Dĩ An, Bình Dương)

Bùn hoạt tính được lấy tại bể lắng 2 của trạm xử lý nước thải chợ Đầu Mối, cung cấp dinh dưỡng, oxy, nước thải trong bể riêng để tạo hoạt tính bùn, duy trì nồng độ bùn X = 10.000 – 15.000 mg/l Kiểm tra các thông số trên trước khi pha vào mô hình Dụng cụ: pipet, micropipet, chai BOD 300 ml, ống đong, buret, bình tam giác

500 ml, cốc 500 ml, giấy lọc, đầu típ, ống nghiệm, đĩa pêtri, đèn cồn, lame, que cấy Thiết bị: máy đo pH, bộ lọc chân không, bình hút ẩm, tủ ủ BOD (200C), hệ thống chưng cất hoàn lưu, tủ sấy, cân phân tích, lò vi sóng, tủ cấy, tủ ủ, kính hiển vi

Hoá chất: dung dịch MnSO4, dung dịch Iodide, H2SO4 đậm đặc, dung dịch

Na2S2O3, chỉ thị hồ tinh bột, dung dịch đệm Phosphate, dung dịch MgSO4, dung dịch CaCl2, dung dịch FeCl3, dung dịch H2SO4 1 N và NaOH 1 N, dung dịch Na2SO3, dung dịch K2Cr2O7 0,0167 M, axit Reagent, chỉ thị Ferroin, dung dịch FAS, các thành phần của môi trường PCA (cao nấm men 2,5 g, Casein 5 g, đường dextrose 1 g, agar 15 g), tím tinh thể, dung dịch Lugol (1% Iot, 2% KI), cồn 960, nước cất, fuchsin, nước muối sinh lý, bộ kit IDS 14 GNR định danh trực khuẩn Gram âm

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Bố trí thí nghiệm

Tất cả các thí nghiệm được thiết kế như hình 3.1:

Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm 3.3.2 Thiết kế mô hình

Hình 3.2 Mặt cắt mô hình bể USBF Đơn vị tính là Centimet ;

A: Ngăn hiếu khí; B: Ngăn kỵ khí; C: Ngăn USBF; D: Máng thu nước đầu ra; E: Máy khuấy; F: ống dẫn nước đầu vào;

2

Ngày thứ

n

1kg COD/

1,5 kg COD/

2 kg COD/

2,5 kg COD/

3 kg COD/

TN 3.1 Tìm

nồng độ pha loãng

TN 3.4 Thử nghiệm sinh hoá

Cấu tạo mô hình: mô hình có thể tích 56 lít gồm có 3 module chính: ngăn thiếu khí 31,5 lít (Anoxic), ngăn hiếu khí 10,5 lít (aerobic) và ngăn lắng lọc bùn sinh học dòng ngược 14 lít (USBF) Nước thải trong thùng chứa được sục khí liên tục nhằm cân bằng nồng độ trong suốt quá trình thí nghiệm và tránh hiện tượng phân hủy kị khí gây mùi hôi Sau đó nước thải được máy bơm định lượng vào ngăn thiếu khí, bơm được trang bị van điều chỉnh lưu lượng để kiểm soát lưu lượng nước thải bơm vào hệ thống Tại ngăn thiếu khí nước thải được khuấy đều nước thải từ ngăn thiếu khí sẽ tự chảy đến ngăn hiếu khí theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí bằng hệ thống sục khí bao gồm các ống phân phối khí (phân bố dưới đáy ngăn hiếu khí và được nối với máy thổi khí, lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng van Nước thải tiếp tục đi qua ngăn lắng theo nguyên

lý bình thông nhau qua khe hở giữa vách ngăn của ngăn USBF và chảy ngược lên máng thu nước đặt phía trên ngăn USBF và dẫn nước sau xử lý ra ngoài Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng sẽ được tuần hoàn lại ngăn thiếu khí nhờ khe hở dưới ngăn lắng, một phần sẽ được thải bỏ ra ngoài qua van xả bùn Các thiết bị cần thiết khác bao gồm 1 máy bơm nước thải đầu vào, 1 máy thổi khí, van điều chỉnh, thanh phối khí

Hình 3.3 Mô hình thực tế bể USBF