SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm

SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm SẢN XUẤT KHÍ SINH học từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH học yếm KHÍ GIÁ THỂ là rơm

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

TỪ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG LỒNG QUAY SINH HỌC YẾM KHÍ GIÁ THỂ LÀ RƠM

Cán Bộ Hướng Dẫn: Sinh Viên Thực Hiện:

LÊ HOÀNG VIỆT Đặng Thanh Nhàn B1205080

Nguyễn Hoài Phương B1205094

Cần Thơ, 5/2016

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cần Thơ, ngày 09, tháng 05, năm 2016

Cán bộ hướng dẫn

Lê Hoàng Việt

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy Lê Hoàng Việt đã hết lòng chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Chúng tôi cũng xin cám ơn các bạn bè cùng lớp đã động viên, hỗ trợ tôi về vật chất lẫn tinh thần giúp tôi hoàn thành luận văn

Tuy đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn,vì vậy rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành từ phía Thầy, Cô, các bạn để chúng tôi có thêm kiến thức hữu ích

Xin chân thành cám ơn!

Cần Thơ, ngày 09, tháng 05, năm 2016

Sinh viên thực hiện

Đặng Thanh Nhàn Nguyễn Hoài Phương

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Sản xuất khí sinh học bằng lồng quay sinh học yếm khí giá thể là rơm” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng ứng dụng lồng quay sinh học yếm khí để sản xuất khí sinh học, làm giảm thiểu ô nhiễm nước thải trong quá trình chăn nuôi và khả năng sử dụng rơm để làm giá thể cũng như cung cấp thêm nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học vừa tận dụng được lượng lớn phụ phế phẩm trong trồng trọt, giảm việc đốt rơm ngoài đồng gây ô nhiễm môi trường Đề tài cũng góp phần đa dạng hóa các phương pháp xử lý nước thải hiện nay, để chủ các cơ sở chăn nuôi có thêm lựa chọn khi muốn đầu tư hệ thống xử lý nước thải Kết quả nghiên cứu cho thấy, tổng thể tích khí sinh học sinh ra ở hai lồng quay sinh học yếm khí giá thể rơm

có thời gian lưu 3 ngày lưu lượng nạp nước 0,048 m3/ngày và thời gian lưu 6 ngày lưu lượng nạp nước 0,024 m3/ngày trong 51 ngày vận hành lần lượt là 2.531,8 lít và 2.384,7 lít LQR ở thời gian tồn lưu nước 3 ngày vận hành với tải nạp BOD trung bình, tải nạp COD trung bình của lồng quay tính trên diện tích bề mặt giá thể là 0.0151 kg BOD/ m2*ngày và 0,0263 kg COD/ m2*ngày cho hiệu suất loại bỏ COD

và BOD lần lượt là 60,04% và 59,06% LQR ở thời gian lưu nước 6 ngày vận hành với tải nạp BOD trung bình, tải nạp COD trung bình của lồng quay tính trên diện tích bề mặt giá thể là 0,0075 kg BOD/m2*ngày và 0.0131 kg COD/ m2*ngày cho hiệu suất loại bỏ COD và BOD tốt lần lượt là 75,01% và 74,06% LQR ở thời gian lưu nước 6 ngày hiệu quả xử lý nước thải tốt hơn ở thời gian lưu 3 ngày do thời gian lưu dài hơn nên đủ thời gian để các chất rắn, chất thải hữu cơ ô nhiễm để lắng lại và

bị phân hủy Để đánh giá khả năng duy trì sinh khí của hai lồng quay sau khi ngưng nạp (tương ứng với các thời điểm tái đàn hay dịch bệnh phải ngừng nuôi), lượng khí sinh học tiếp tục được đo đạc từ ngày thứ 45 đến ngày thứ 51 Kết quả cho thấy sau khi ngưng nạp LQR3N duy trì được lượng khí sinh học cao hơn LQR6N (LQR3N: 417,6 lít, LQR6N: 335,1 lít) Từ các kết quả trên đề tài rút ra được các kết luận là rơm có thể được sử dụng làm giá thể cho mô hình lồng quay sinh học yếm khí, việc

sử dụng giá thể rơm có thể giúp tăng khả năng sản xuất khí sinh học và làm giảm thiểu ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thành dựa trên kết quả nghiên cứu của chúng tôi và các số liệu, kết quả nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn nào trước đây

Cần Thơ, ngày 09, tháng 05, năm 2016

Sinh viên thực hiện

Đặng Thanh Nhàn Nguyễn Hoài Phương

MỤC LỤC

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 3

LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 KHÍ SINH HỌC 3

2.1.1 Giới thiệu 3

2.1.2 Vai trò của công nghệ khí sinh học 3

2.1.3 Cơ chế quá trình lên men yếm khí 4

2.1.4 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí 6

2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 9

2.2.1 Tổng quan về ngành chăn nuôi heo 9

2.2.2 Đặc điểm của nước thải chăn nuôi heo 10

2.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ÁP DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 11

2.4 ĐĨA QUAY SINH HỌC YẾM KHÍ 12

2.4.1 Sơ lược về đĩa quay sinh học yếm khí dùng trong thí nghiệm của Yeh et al., (1997) và Laquidara et al., (1986) 12

2.4.2 Cấu tạo của đĩa quay sinh học yếm khí dùng trong thí nghiệm của Lu et al., 1995) và Laquidara et al., (1986) 12

2.4.3 Vận hành đĩa quay sinh học yếm khí trong nghiên cứu của Lu et al., (1995) 14

2.4.4 Màng sinh học trong đĩa quay yếm khí 15

2.4.5 Khí sinh học trong quá trình xử lý yếm khí 16

2.4.6 Ưu và nhược điểm của đĩa quay sinh học yếm khí 17

2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA RƠM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG RƠM ĐỂ SẢN XUẤT BIOGAS 18

2.5.1 Một số đặc điểm của rơm 18

2.5.2 Một số nghiên cứu sản xuất Biogas từ rơm 18

2.6 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VỀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO CỦA MỘT SỐ HẦM Ủ BIOGAS HỘ GIA ĐÌNH 19

CHƯƠNG 3 22

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN, ĐỐI TƯỢNG 22

3.1.1 Địa điểm và thời gian 22

3.1.2 Đối tượng nghiên cứu 22

3.2 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM 22

3.3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 24

3.3.1 Giai đoạn chuẩn bị 24

3.3.2 Giai đoạn vận hành 24

3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU CẦN THEO DÕI 26

CHƯƠNG 4 28

KẾT QUẢ THẢO LUẬN 28

4.1 KHẢO SÁT THỰC TẾ 28

4.2 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO TRONG THÍ NGHIỆM 28

4.2.1 Đặc tính lý học của nước thải chăn nuôi heo trong thí nghiệm 28

4.2.2 Đặc tính hóa học của nước thải chăn nuôi heo trong thí nghiệm 28

4.3 THÍ NGHIỆM 29

CHƯƠNG 5 41

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

5.1 KẾT LUẬN 41

5.2 KIẾN NGHỊ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

PHỤ LỤC A 45

PHỤ LỤC B 46

PHỤ LỤC C 52

PHỤ LỤC D 58

PHỤ LỤC E 62

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần khí sinh học 3

Bảng 2.2 Tỉ lệ C/N của một số chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật, thực vật 8

Bảng 2.3 Số lượng heo ở các vùng năm 2014 9

Bảng 2.4 Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo .10

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 - 100 kg 11

Bảng 2.6 Các đặc tính kỹ thuật của đĩa quay sinh học yếm khí trong thí nghiệm của Lu et al., (1995) 13

Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật và kích thước của đĩa quay sinh học yếm khí trong thí nghiệm của Laquidara et al., (1986) 14

Bảng 2.8 Các điều kiện vận hành đĩa quay sinh học yếm khí trong thí nghiệm của Lu et al., (1995) 15

Bảng 2.9 Tính chất hóa học của rơm sau thu hoạch 18

Bảng 2.10 Địa chỉ các hầm biogas nghiên cứu 20

Bảng 2.11 Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của hầm biogas ở Thừa Thiên Huế 21

Bảng 3.1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu ra 27

Bảng 3.2 Phương tiện phân tích thành phần, thể tích khí sinh học và chỉ tiêu pH 27

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu lý hóa của nước thải chăn nuôi heo 29

Bảng 4.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào và đầu ra của LQR3N và LQR6N 30

Bảng 4.3 Điều kiện vận hành của hai lồng quay sinh học LQR3N và LQR6N trong thí nghiệm chính thức 31

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc Carty, 1964) 5

Hình 2.2 Sự phân lớp trong dịch ủ mê-tan 7

Hình 2.3 Bể phản ứng đĩa quay sinh học (Laquidara et al., 1986) 13

Hình 2.4 Phần trăm mê-tan với hiệu suất loại bỏ COD (Laquidara et al., 1986) 16

Hình 2.5 Tốc độ sinh khí sinh học so với thời gian vận hành tại 3 thời gian lưu khác nhau (Yeh et al., 1997) 17

Hình 3.1 Sơ đồ lồng quay sinh học yếm khí sử dụng trong thí nghiệm (bản vẽ chi tiết phục lục A) 23

Hình 3.2 Rơm làm giá thể dùng trong thí nghiệm 24

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 26

Hình 4.1 Biến thiên của thể tích khí sinh học sinh ra từ LQR3N và LQR6N theo ngày vận hành 32

Hình 4.2 Phần trăm mê-tan trong khí sinh học ở LQR3N và LQR6N theo ngày vận hành 32

Hình 4.3 Thể tích khí sinh học cộng dồn của LQR3N và LQR6N 33

Hình 4.4 pH của nước thải trước và sau xử lý bằng LQR3N và LQR6N 34

Hình 4.5 Nồng độ COD, BOD, SS của nước thải trước và sau xử lý bằng LQR3N và LQR6N 35

Hình 4.6 Nồng độ TP của nước thải trước và sau xử lý bằng LQR3N và LQR6N 35

Hình 4.7 Nồng độ TKN và NH+ 4 của nước thải trước và sau xử lý bằng LQR3N và LQR6N 36

Hình 4.8 Nước thải đầu vào (trái), nước thải đầu ra LQR3N (giữa) và LQR6N (phải) 37

Hình 4.9 Rơm trước xử lý (trái) và sau xử lý bằng LQR3N (giữa) và LQR6N (phải) .39

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AFB Công nghệ lớp đệm hóa lỏng yếm khí

AnRBC Đĩa quay sinh học yếm khí

BOD Nhu cầu ô-xy sinh hóa

COD Nhu cầu ô-xy hóa học

ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long

HRT Thời gian lưu nước

LQR3N Lồng quay sinh học giá thể rơm có thời gian lưu 3 ngày

LQR6N Lồng quay sinh học giá thể rơm có thời gian lưu 6 ngày

TVFAs Tổng các a-xít béo bay hơi

UASB Công nghệ thảm bùn yếm khí dòng chảy ngược

VAs A-xít dễ bay hơi

VS Hàm lượng chất rắn bay hơi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) chủ yếu phát triển nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi Trong đó, ngành chăn nuôi đóng vai trò quan trọng đối với phát triển kinh tế ở ĐBSCL, góp phần tăng thu nhập cho người dân Theo thống kê của Tổng cục Thống kê (2015) số lượng heo ở ĐBSCL tính đến thời điểm năm

2014 là 3,47 triệu con và sản lượng thịt heo xuất chuồng 3,33 triệu tấn ĐBSCL là vùng sản xuất lúa trọng điểm của Việt Nam, với tổng diện tích gieo trồng lúa năm

2014 chiếm 4,24 triệu hecta, trong tổng số 7,81 triệu hecta canh tác lúa của cả nước (chiếm 54,35%) (Tổng cục Thống kê, 2015) Tương ứng với diện tích canh tác và sản lượng lúa thì lượng rơm thải bỏ hoặc đốt hằng năm ở ĐBSCL là rất lớn (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2010)

Nhu cầu tiêu thụ thịt heo ngày càng tăng đã thúc đẩy ngành nghề chăn nuôi heo phát triển và mở rộng với quy mô lớn tại các cơ sở chăn nuôi Bên cạnh đó là sự phát sinh lượng nước thải rất lớn làm ô nhiễm môi trường Vấn đề này được khắc phục bằng nhiều biện pháp: sinh học, hóa lý, cơ học… Trong đó, biện pháp sinh học được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm như an toàn, dễ thực hiện, giá thành rẻ…(Cao Ngọc Điệp & Hồ Thanh Tâm, 2012) Đặc biệt biện pháp ủ yếm khí (hầm

ủ khí sinh học) được nhiều người áp dụng, do ngoài việc cải thiện tình trạng ô nhiễm còn có thể thu khí mê-tan làm nhiên liệu (Nguyễn Thị Hồng & Phạm Khắc Liệu, 2012)

Hầm ủ khí sinh học là một trong những hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi đặc biệt

là chất thải chăn nuôi heo Qui trình ủ gồm một chuỗi các quá trình trong đó vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất trong điều kiện không có ô-xy Các loại hầm

ủ khí sinh học ở ĐBSCL hiện nay đa số đều là hầm ủ theo kiểu tăng trưởng lơ lửng

có thời gian tồn lưu dài, chi phí đầu tư cao Vì vậy, cần có hầm ủ theo kiểu tăng trưởng bám dính với thời gian tồn lưu ngắn hơn và chi phí đầu tư rẻ hơn các loại hầm ủ theo kiểu tăng trưởng lơ lửng

Đĩa quay sinh học là một trong những phương pháp sinh học để xử lý nước thải theo kiểu bám dính Đĩa quay sinh học thường được thiết kế để xử lý nước thải ở dạng hiếu khí, nhưng cũng đã có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng đĩa quay sinh

học yếm khí để xử lý nước thải tiêu biểu như Laquidara et al., (1986), Yeh et al.,

(1997),… Vào năm 2006 Sirianuntapiboon đã đơn giản hóa việc chế tạo đĩa quay sinh học bằng cách sử dụng lồng quay sinh học để xử lý nước thải có chứa dư lượng clo với nồng độ thậm chí lên đến 20 mg/L Đến năm 2007 hệ thống LQSH này cũng được Sirianuntapiboon & Chuamkaew nghiên cứu xử lý nước thải tổng hợp có chứa đến 800 mg/L BOD5 với nhiều nồng độ dư lượng xy-a-nua khác nhau

Để tận dụng hết giá trị của rơm, tránh việc đốt đồng gây ô nhiễm môi trường, thu

hồi được năng lượng đồng thời xử lý nước thải chăn nuôi, đề tài “Sản xuất khí sinh

học từ nước thải chăn nuôi heo bằng lồng quay sinh học yếm khí giá thể là rơm”

được thực hiện nhằm sản xuất khí sinh học và thông qua việc sản xuất khí sinh học làm giảm thiểu ô nhiễm nước thải trong quá trình chăn nuôi góp phần vào việc bảo

vệ môi trường Cụ thể hơn, muốn tìm ra được thông số thiết kế và vận hành lồng

quay sinh học yếm khí để sản xuất khí sinh học từ nước thải chăn nuôi và hướng đến phổ biến công nghệ này ở Việt Nam.

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU2.1 KHÍ SINH HỌC

2.1.1 Giới thiệu

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường không có ô-xy được gọi là quá trình phân hủy kỵ khí (hoặc yếm khí), sản phẩm thu được là hỗn hợp khí gọi là khí sinh học (KSH) Thành phần chủ yếu của khí sinh học là khí mê-tan CH4), khí các-bon-đi-ô-xít (CO2), ni-tơ (N2), hydro (H2 ) hydro sun-phíc (H2S) (Nguyễn Quang khải, 2009)

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Hữu Chiếm (2013) khí sinh học là một sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ

Bảng 2.1 Thành phần khí sinh học

2.1.2 Vai trò của công nghệ khí sinh học

Tạo năng lượng đốt, hạn chế phá rừng

Xử lý tốt các yếu tố gieo rắc mầm bệnh trong phân vì nước thải sau biogas, giảm mùi hôi, ít ruồi nhặng đeo bám, đặc biệt là ký sinh trùng và các mần bệnh lây lan bị tiêu diệt đáng kể góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Nước thải sau khi qua túi ủ biogas có thể sử dụng dễ dàng và tăng hiệu quả trong

mô hình V.A.C.B: làm thức ăn cho gia súc, gia cầm

Mùn bã của túi ủ cung cấp nguồn phân hữu cơ sinh học, giảm sử dụng phân hóa học, qua đó giúp cải tạo đất, nâng cao năng suất cây trồng

2.1.3 Cơ chế quá trình lên men yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014) Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

Lên men yếm khí Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S (2.1)

Và chia thành 3 giai đoạn chính như sau:

1 Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử

2 Tạo nên các a-xít hữu cơ trong đó chủ yếu là a-xít a-xê-tíc

3 Tạo khí mê-tan

Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân và lên men các chất hữu cơ cao phân tử

Các chất hữu cơ trong nước thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như

prô-tê-in, chất béo, carbohydrat, cellulose, lignin Một vài loại của các chất này ở dạng không hòa tan (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Dưới tác dụng của các enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân –Hidratcacbon (kể cả các chất không hòa tan) phức tạp sẽ thành các đường đơn giản; prô-tê-in thành albumoz, pep-tôn, pep-tit, a-xít a-min, chất béo (lipit) thành glyxerin và các a-xít béo (Lương Đức Phẩm, 2009)

Tuy nhiên, các chất hữu cơ như là cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản, đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí Bởi vì lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3,

do đó tốc độ hoạt động của vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ quyết định hiệu quả tổng thể của quá trình; còn nếu chất hữu cơ đầu vào là các hợp chất dễ phân hủy thì tốc độ hoạt động của vi khuẩn ở giai đoạn 3 (vi khuẩn mê-tan) sẽ quyết định hiệu quả tổng thể của quá trình Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ (Lê Hoàng Việt & Nguyễn

Võ Châu Ngân, 2014)

Giai đoạn 2: giai đoạn sinh a-xít và khí hydro

Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ được nhóm vi khuẩn Acedogenic chuyển hóa thành a-xít a-xê-tíc (kể cảcác muối của nó), H2 và CO2 Tỷ

lệ của các sản phẩm này phụ thuộc vào hệ vi sinh vật trong hầm ủ và các điều kiện môi trường (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Giai đoạn 3: giai đoạn sinh khí mê-tan

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), các sản phẩm của giai đoạn

2 sẽ được chuyển đổi thành CH4 và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn mê-tan

Vi khuẩn mê-tan là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc, có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 Các vi khuẩn mê-tan sử dụng a-xít a-xê-tíc, methanol, CO2 và H2 để sản xuất mê-tan, trong đó a-xít a-xê-tíc là nguyên liệu chính với từ 70% mê-tan được sản sinh ra từ nó Phần mê-tan còn lại được sản

xuất từ CO2 và H2, một ít được sinh ra từ a-xít formic nhưng phần này không quan trọng, vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí.

Các phản ứng có thể biểu diễn bằng các phương trình sau:

Nguyên liệu propionate + butyrate + ethanol (2.3)

CH3COO- + H2O CH4 + HCO3- + năng lượng (2.4)4H2 + HCO3- + H+ CH4 + 3H2O + năng lượng (2.5)Phương trình (2.2) sẽ chiếm ưu thế trong những hầm ủ có áp suất riêng phần của hydro thấp Trong các hầm ủ có áp suất riêng phần hydro cao thì phương trình (2.3)

sẽ chiếm ưu thế và tạo ra những a-xít béo bay hơi tạo ra mạch các-bon dài hơn 2 (propionate và butyrate) và ethanol Các sản phẩm này sau đó sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành các nguyên liệu cho quá trình lên men sinh khí mê-tan như H2, a-xít a-xê-tíc và CO2 bởi nhóm vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn Acedogenic rất nhạy

cảm với áp suất riêng phần của H2, do đó kiểm soát áp suất riêng phần của hydro sẽ

có lợi trong việc vận hành các hầm ủ

Hình 2.1 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí

(Mc Carty, 1964)Các vi khuẩn tham gia quá trình lên men yếm khí được chia thành 04 nhóm chính:

- Nhóm 1: nhóm vi khuẩn thủy phân và lên men (hydrolytic and fermentative bacteria)

- Nhóm 2: nhóm vi khuẩn tạo a-xít a-xê-tíc và khí H2 (a-xê-tát and H2producing bacteria)

-Chất hữu cơ

bay hơiA-môn

- Nhóm 3: nhóm vi khuẩn sử dụng a-xít để tạo khí mê-tan (acetoclastic bacteria).

- Nhóm 4: nhóm vi khuẩn sử dụng hydro để tạo khí mê-tan

2.1.4 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí

Các nhân tố vật lý

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và quá trình trao đổi chất của các vi khuẩn, do đó sẽ làm cho vi sinh vật trong mẻ ủ bị biến động Khi nhiệt độ tăng 70oC thì vi khuẩn sinh khí mê-tan acetotrophic sẽ bị ức chế và

làm cho prô-pi-ô-níc và butyrate giảm xuống Theo Yu and Fang (2002), quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong dãy nhiệt độ rộng, tốc độ phân hủy phụ thuộc một cách mạnh mẻ vào nhiệt độ, có các dãy nhiệt độ khác nhau bao gồm: ưu nhiệt độ thấp (4 – 20oC), ưu ấm (20 – 50oC) và ưu nhiệt (50 – 60oC) Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí, nhiệt độ thích hợp cho hoạt động tối ưu của vi sinh vật từ 31 –36oC (Lâm

Minh Triết & Lê Hoàng Việt, 2009) Trong điều kiện nước ta nhiệt độ trung bình từ

20 –32oC Hầm ủ biogas hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ trong khoảng 30 – 350C, ở nhiệt độ nhỏ hơn 100C thì hầu như hệ thống không sinh ra biogas (Morup, 2012)

Ẩm độ nguyên liệu

Ủ yếm khí ướt được áp dụng phổ biến để xử lý chất thải từ phân động vật Ẩm độ của vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan trong mẻ ủ cũng như các yếu tố môi trường khác Đối với mẻ ủ vận hành ở nồng độ chất rắn thấp hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho mẻ ủ nên được điều chỉnh ở mức 5-10%, còn lại 90-95% là nước (Monnet, 2003) Sự hoạt động bình thường của vi khuẩn mê-tan cần khoảng 90% nước để ủ vật liệu thải và 8 - 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001)

Ảnh hưởng do khuấy trộn các nguyên liệu trong hệ thống

Khuấy trộn nguyên liệu trong quá trình ủ là cần thiết để duy trì tính đồng nhất của các chất lỏng trong hỗn hợp ủ và làm cho nguyên liệu mới nạp vào được tiếp xúc với vi khuẩn, ngăn chặn sự hình thành cặn bã và tránh sự phân tán nhiệt độ rõ rệt trong mẻ ủ Khi không khuấy trộn nguyên liệu trong bể phân hủy thường phân tầng thành 3 lớp: lớp trên là lớp váng, lớp giữa là lỏng và lớp đáy là cặn lắng (Hình 2.2)

Vi sinh vật khó phân bố đều trong môi trường lên men, kết quả là VSV khó tiếp xúc với nguyên liệu mới để hấp thụ các chất dinh dưỡng, trong bể có nhiều vùng chết ở

đó mật độ VSV thấp, sự phân hủy xảy ra yếu Nguyên liệu có thể tích tụ và đông lại, nếu khuấy đảo giúp khắc phục được nhược điểm trên giúp quá trình phân hủy

xảy ra nhanh hơn, đồng đều hơn (Nguyễn Đức Lượng & Nguyễn Thị Thùy Dương,

2003)

Các loại khí CH4, CO2 và khí khác

Hỗn hợp các loại khí trong đó

CH4 chiếm đa số (>50%) chất béoLớp váng nổi

A-xít béo

Dung dịch chứa nhiều chất hữu

cơ phân hủy

Lớp bùn cặn chứa nhiều VSVH

Hình 2.2 Sự phân lớp trong dịch ủ mê-tan Kích cỡ vật liệu

Kích cỡ của vật liệu không phải là thông số quan trọng như nhiệt độ và pH, nhưng

nó vẫn ảnh hưởng đến quá trình sinh khí mê-tan Kích thước của vật liệu phải nhỏ

và phù hợp nếu không sẽ dẫn đến sự tắc nghẽn của túi ủ và cũng khó khăn cho các

vi khuẩn thực hiện quá trình phân hủy yếm khí Theo Mshandete et al., (2006) kích

thước vật liệu có ảnh hưởng đến khả năng sinh khí mê-tan, khi kích thước vật liệu giảm xuống từ 100mm xuống 2mm thì lượng khí sinh ra tăng lên 16%

Các yếu tố hóa học

Ảnh hưởng của pH và a-xít béo dễ bay hơi (TVFAs)

pH là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men yếm khí Hầu hết các vi sinh vật sinh khí mê-tan hoạt động tốt nhất khi pH nằm trong khoảng 6,7 – 7,5 trong khi các vi khuẩn sinh a-xít được hình thành thì thường làm cho giá trị pH tối ưu giảm và khoảng pH lý tưởng cho giai

đoạn thủy phân và sinh a-xít thì thấp hơn và nằm trong khoảng 5,5 – 6,5 (Ward et

al., 2008) Nếu giá trị pH của quá trình sinh khí nằm ngoài khoảng giá trị tối ưu (

pH < 5,5) thì vi sinh vật sinh khí mê-tan sẽ bị ức chế làm cho quá trình sinh khí bị kiềm hãm và sản lượng khí mê-tan sẽ giảm 75% (Jain and Mattiasson, 1998) Theo

Mc Carty (1964), quá trình xử lý yếm khí diễn ra tốt ở mức pH từ 6,6 – 7,6 (tối ưu

là 7,0 – 7,2) Khi pH nằm ngoài giới hạn này quá trình phân hủy vẫn diễn ra nhưng kém hiệu quả hơn, pH nhỏ hơn 6,2 sẽ ức chế hoàn toàn sự phân hủy yếm khí và sản phẩm của quá trình sinh a-xít sẽ gây độc cho các loại vi khuẩn sinh khí mê-tan.A-xít béo dễ bay hơi là sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy yếm khí và có khả năng ức chế vi khuẩn sinh khí mê-tan khi tồn tại ở nồng độ cao Quá trình phân hủy yếm khí sẽ làm thay đổi giá trị pH do sản sinh ra các a-xít béo và tổng nồng độ TVFAS lớn hơn 4 g/L (tương ứng với 66,7 mmol/L) sẽ làm cho quá trình phân hủy

bị ức chế (Siegert and Banks, 2005)

Ảnh hưởng của độ kiềm

Độ kiềm của dung dịch là khả năng trung hòa a-xít của dung dịch đó Đơn vị của độ kiềm thường được tính là mgCaCO3/L Độ kiềm chống lại sự thay đổi nhanh chóng

của giá trị pH Độ kiềm còn là kết quả của sự hiện diện các hợp chất khác nhau (phần lớn là muối bi-các-bô-nát, các-bô-nát và hy-đrô-xít).

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Hữu Chiếm (2013), độ kiềm của hầm ủ cần phải được giữ ở khoảng 1.500 – 5.000 mg CaCO3/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp

Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng trong nguyên liệu nạp

Tỉ lệ giữa các-bon và ni-tơ (C/N) là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của các hợp chất hữu cơ và mức cân bằng dinh dưỡng có trong mẻ ủ (Nguyễn Đức Lượng & Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003) Trong quá trình phân hủy yếm khí thì các vi khuẩn cần một tỉ lệ C/N phù hợp để cho quá trình trao đổi chất và

sự phát triển của các vi sinh vật Theo Li et al., (2011) cho rằng tỉ lệ C/N thích hợp

cho quá trình phân hủy yếm khí dao động trong khoảng 20/1 – 30/1 và giá trị tối ưu nhất cho quá trình sinh khí mê-tan là 25/1 Nếu tỉ số C/N cao thì vi khuẩn sinh khí mê-tan sẽ nhanh chóng sử dụng ni-tơ cho nhu cầu tổng hợp prô-tê-in và sẽ dẫn đến hiện tượng mất đạm, kết quả là lượng khí sinh ra sẽ bị giảm Ngược lại, nếu tỉ số C/N thấp sẽ dẫn đến hiện tượng thất thoát đạm và làm cho giá trị pH trong quá trình phân hủy tăng lên do sự tích tụ các a-mô-ni a-za-ni (NH4) quá nhiều

Trong xử lý nước thải để cân bằng dưỡng chất cho vi khuẩn trong hệ thống lên men yếm khí người ta không sử dụng tỉ lệ C:N mà sử dụng tỉ lệ COD:N:P và tỉ lệ này được đề nghị 350:5:1 Các nguyên tố khác như K, Na và Ca cũng quan trọng với quá trình sinh khí nhưng đây là các nguyên tố vi lượng (Lê Hoàng Việt & Nguyễn

Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp

Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:

Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/(m3*ngày) hay kg VS/(m3*ngày)Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các a-xít béo do các vi khuẩn ở giai đoạn

3 không sử dụng các a-xít sinh ra trong giai đoạn 2, làm giảm pH của hầm ủ gây bất

lợi cho các vi khuẩn mê-tan Lượng chất hữu cơ nạp thấp sẽ làm cho lượng gas sinh

ra không đáp ứng nhu cầu sử dụng và hầm ủ không mang lại hiệu quả kinh tế vì nó

đã được xây dựng lớn hơn thể tích cần thiết (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Lượng chất hữu cơ tối ưu để nạp cho các hệ thống không có giá bám cho vi khuẩn

là 1 – 4 kg VS/(m3*ngày) và 1 – 6 kg COD/(m3*ngày); đối với hệ thống có giá bám cho vi khuẩn là 1 – 15 kg VS/(m3*ngày) và 5 – 30 kg COD/(m3*ngày)

Thời gian lưu nước (hỗn hợp nạp) trong hầm ủ (Hydraulic retention time – HRT).Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), thời gian tồn lưu nước là thời gian hỗn hợp nguyên liệu nạp trải qua quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống Thời gian tồn lưu được tính bằng công thức:

HRT = Thể tích hệ thống/ thể tích nguyên liệu nạp

Theo kinh nghiệm triển khai hầm ủ của trung tâm Năng Lượng Mới – Đại học cần Thơ – thời gian lưu tồn thích hợp để xử lý nước thải từ các trại heo là khoảng 20 ngày (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

2.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

2.2.1 Tổng quan về ngành chăn nuôi heo

Theo số liệu của Tổng cục Thống kê (2015), tính đến năm 2014, số lượng heo cả nước 26,76 triệu con và đặc biệt ở khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL)

có 3,47 triệu con chiếm 12,97% trong tổng số heo của cả nước

Bảng 2.3 Số lượng heo ở các vùng năm 2014

(Tổng cục Thống kê, 2015)

2.2.2 Đặc điểm của nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi là một hợp chất của nhiều thành phần ở cả trạng thái rắn và lỏng, chúng có thể bao gồm phân, lông, vảy da, chất độn chuồng, nước tiểu gia súc,

Trung du & miền núi phía Bắc 6,626

Bắc Trung Bộ & Duyên hải

nước vệ sinh chuồng trại, nước tắm rửa gia súc, thức ăn rơi vãi và các bệnh phẩm thú y, xác gia súc, gia cầm chết…(Nguyễn Xuân Trạch, 2011).

Theo Nguyễn Thị Thu Hà (2008) nước thải trại chăn nuôi heo bao gồm nước vệ sinh chuồng trại, phân, nước tiểu của heo Đặc trưng ô nhiễm của nước thải chăn nuôi heo là: ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm đạm, lân và chứa nhiều loại vi trùng, vi khuẩn gây bệnh Trong thành phần chất rắn của nước thải chăn nuôi heo chất hữu cơ chiếm 70-80% gồm các chất các-bon-hy-rát, a-xít a-min, chất béo và các dẫn xuất của chúng có trong phân, nước tiểu và thức ăn thừa Chất vô cơ chiếm 20-30% gồm cát, đất, muối clorua, SO42- …, đặc biệt là hàm lượng đạm trong nước thải rất cao

do hệ tiêu hóa của heo hấp thu kém thành phần ni-tơ Chỉ có 30% lượng ni-tơ đưa vào cơ thể heo chuyển hóa thành sản phẩm, 70% còn lại bài tiết ra ngoài dưới dạng

NH4+, NO2-, NO3- (Jongbloed & Lenis, 1992) Lân là thành phần tương đối ít, chiếm 0,25 – 1,4% trong thức ăn thừa và một ít trong nước tiểu của heo…, tồn tại chủ yếu

ở dạng HPO42-, PO43- và phốt-phát hữu cơ Những chất hữu cơ chưa được heo đồng hóa, hấp thụ sẽ được bài tiết ra ngoài theo phân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất khác Tùy điều kiện hiếu khí hay kỵ khí mà quá trình phân hủy tạo thành các sản phẩm khác nhau như a-xít a-min, a-xít béo, an-đề-híc, nước, CO2, NH3,

H2S, NO2, NO3, CH4, N2,… Các chất khí sinh ra như NH3, H2S…, gây ra mùi hôi thối trong khu vực nuôi, ảnh hưởng xấu tới môi trường đặc biệt các thông số ô nhiễm ở mức rất cao

Bảng 2.4 Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của phân heo có trọng lượng từ 70 – 100kg

do heo thải ra được pha thêm với từ 20 đến 49 kg nước Lượng nước lớn này có nguồn gốc từ các hoạt động tắm cho gia súc hay dùng để rửa chuồng nuôi hàng ngày… Việc sử dụng nước tắm cho gia súc hay rửa chuồng làm tăng lượng nước thải đáng kể, gây khó khăn cho việc thu gom và xử lý nước thải sau này (Trương Thanh Cảnh, 2010)

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu gia súc, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom (số lần thu gom, vệ sinh chuồng trại và có hốt phân hay không hốt phân trước khi rửa chuồng), lượng nước dùng tắm gia súc và vệ sinh chuồng trại…

2.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ÁP DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

Xử lý nước thải chăn nuôi là quá trình loại bỏ hoặc chuyển dạng các chất ô nhiễm trong nước thải sao cho nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng xả thải ở mức cho phép theo các chỉ tiêu quy định Mục tiêu của xử lý nước thải là loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi (BOD), các chất rắn lơ lửng (SS), các chất nổi bề mặt, các yếu tố gây bệnh sinh học Ở mức độ cao hơn việc xử lý nhằm vào mục đích giảm các yếu tố dinh dưỡng như N, P hay loại bỏ các kim loại nặng… (Nguyễn Xuân Trạch, 2011)

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2015):

Công nghệ phân hủy yếm khí để sản xuất biogas đã được nghiên cứu để sử dụng trong các hộ gia đình, phục vụ nhu cầu nấu nướng, thắp sáng, sưởi ấm, ở quy mô lớn hơn nó được dùng để sưởi ấm hoặc phát điện

Trong lĩnh vực xử lý nước thải quy trình lên men yếm khí được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao (như nước thải từ quá trình chế biến nông –

thủy sản, nước thải từ các trại chăn nuôi gia súc, nước thải các nhà máy hóa chất…)

và xử lý bùn sinh ra từ bể lắng, bể tuyển nổi của hệ thống xử lý nước thải

Các hệ thống phân hủy yếm khí được phân loại theo nhiều kiểu khác nhau: theo

kiểu vận hành hệ thống, theo kiểu sinh trưởng của vi khuẩn trong hệ thống, theo tải

nạp chất hữu cơ cho hệ thống…

- Theo cách vận hành hệ thống: các loại hầm ủ được chia làm 3 nhóm chính gồm

vận hành theo mẻ, vận hành bán liên tục và vận hành liên tục

- Theo kiểu tăng trưởng của VSV: trong hệ thống người ta chia làm hệ thống theo

kiểu tăng trưởng lơ lửng (đây là các kiểu hầm ủ biogas của Trung Quốc, Ấn Độ,

TG-BP, CT1, túi ủ, KT, EQ, composite hay các ao hồ yếm khí); theo kiểu tăng

trưởng bám dính gồm có cột lọc yếm khí, hầm UASB và một số phiên bản khác

Theo Srinivas (2008) chia hầm ủ theo kiểu tăng trưởng lơ lửng thành 03 nhóm

chính: hầm ủ yếm khí theo kiểu tăng trưởng lơ lửng khuấy trộn hoàn toàn, hầm ủ

yếm khí theo kiểu tiếp xúc, hầm ủ yếm khí theo mẻ

2.4 ĐĨA QUAY SINH HỌC YẾM KHÍ

2.4.1 Sơ lược về đĩa quay sinh học yếm khí dùng trong thí nghiệm của Yeh et

al., (1997) và Laquidara et al., (1986)

Theo Yeh et al., (1997) đĩa quay sinh học không chỉ được thiết kế để xử lý hiếu khí

mà nó còn được thiết kế cho xử lý yếm khí nước thải Đĩa quay sinh học yếm khí (Anaerobic Rotating Biological Contactor - AnRBC), một phương pháp xử lý nước

thải sinh học yếm khí lần đầu được giới thiệu bởi Tait & Friedman vào năm 1980 để

xử lý nước thải có chứa các-bon tổng hợp Họ dùng hai bể tiếp xúc bốn giai đoạn

với 70% diện tích bề mặt đĩa được ngập trong nước Kết quả đã cho thấy rằng đĩa

quay sinh học yếm khí vừa khả thi vừa thực tế đối với việc loại bỏ các hợp chất hữu

cơ có nồng độ cao trong nước thải

Laquidara et al., (1986) cho thấy hệ thống đĩa quay sinh học yếm khí thích hợp cho

việc xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ trung bình và cao Hệ thống này đã xử lý

hiệu quả nước thải chứa các-bô-hy-rát với tải nạp áp dụng từ 10 đến 40g

COD/m2*ngày

2.4.2 Cấu tạo của đĩa quay sinh học yếm khí dùng trong thí nghiệm của Lu et

al., 1995) và Laquidara et al., (1986)

Theo Lu et al., 1995 đã tiến hành thí nghiệm trên ba bể phản ứng đĩa quay sinh học

yếm khí tương tự nhau, mỗi bể gồm 4 giai đoạn với các đặc tính kỹ thuật của đĩa

quay được trình bày ở bảng 2.6

Bảng 2.6 Các đặc tính kỹ thuật của đĩa quay sinh học yếm khí trong thí nghiệm của

Diện tích bề mặt ướt của đĩa (m2) 1,43

Tỷ lệ bề mặt đối với thể tích (m2/m3) 119,7

(Lu et al., 1995)

Các kích thước, vật liệu, các số liệu kỹ thuật áp dụng của đĩa quay sinh học yếm khí

trong nghiên cứu của Laquidara et al., (1986) được hể hiện qua hình 2.3 và bảng 2.7.

Hình 2.3 Bể phản ứng đĩa quay sinh học (Laquidara et al., 1986)

Đầu

vào

Hệ thống thu khí

Tháo nước

Nắp đậy thủy tinh Lỗ thu khí

Ống đầu ra chữ U PVC 1,25 cm Lỗ thu bùn

Trục quay

Thành bể

Các dĩa 7,62 cm 0,974 cm Chốt giữ

Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật và kích thước của đĩa quay sinh học yếm khí trong

thí nghiệm của Laquidara et al., (1986)

Vật liệu đĩa Pô-ly-ê-ty-len dày 3,2 mm

Số lượng phân đoạn loại bỏ 60/bể phản ứng

Vật liệu phủ bề mặt đĩa Vật liệu phủ 2,54 m

Theo Lu et al., (1995) quá trình vận hành đĩa quay sinh học yếm khí bao gồm việc

tạo mầm vi khuẩn, nhiệt độ, pH, tải nạp hữu cơ đầu vào, thời gian lưu tồn nước Các điều kiện vận hành được trình bày trong bảng 2.8

Bảng 2.8 Các điều kiện vận hành đĩa quay sinh học yếm khí trong thí nghiệm của

Lu et al., (1995)

Lưu lượng dòng chảy(L/ngày) 9,56 – 11,47 13,28

Tải nạp bề mặt hữu cơ(g COD/m2*ngày) 5,94 – 6,93 111,4

Tải nạp thể tích hữu cơ (kg COD/m3*ngày) 0,71 – 0,85 13,33

(Lu et al., 1995)

Theo Lu et al., (1995) hàm lượng ô-xy hòa tan (DO) luôn là 0 mg/L trong nước

thải đầu ra của hệ thống

Sau khi trích dẫn các tài liệu của Mc Carty (1964), Lu et al., (1995) đã cho thấy giá

trị pH từ 6,6 – 7,6 tối ưu cho xử lý yếm khí

Hiệu suất lọai bỏ COD và BOD hòa tan lên đến 71% và 76% khi tải nạp bề mặt chất hữu cơ của nước thải đầu vào là 111,4 g COD/m2*ngày và tải nạp thể tích hữu cơ là 13,33 kg COD/m3*ngày Hầu hết các chất hữu cơ được loại bỏ ở hai giai đoạn đầu

Theo Laquidara et al., (1986) hệ thống đĩa quay sinh học yếm khí xử lý hiệu quả

nước thải các-bô-hy-rát tại tải nạp áp dụng từ 10 – 140 g COD/m2*ngày

Theo Yeh et al., (1997) trong điều kiện ổn định hiệu suất loại bỏ COD và BOD tăng

khi thời gian lưu nước tăng hay hàm lượng hữu cơ đầu vào giảm Hiệu suất loại bỏ COD cao nhất từ 75– 82% tại thời gian lưu là 32 giờ Ngoài ra, các a-xít dễ bay hơi (VAs) cũng tăng lên khi COD đầu vào tăng lên, điều này giải thích là do tốc độ sinh

ra các VAs có liên quan trực tiếp với tốc độ loại bỏ COD, khi tải nạp chất hữu cơ cao, tốc độ loại bỏ COD cao sản sinh ra nhiều VAs

Khi tải nạp chất hữu cơ cao, các cơ chất phía ngoài chảy mạnh vào lớp màng sinh học, sinh ra nhiều vi khuẩn, màng sinh học phát triển mạnh tại rìa của đĩa

2.4.4 Màng sinh học trong đĩa quay yếm khí

Đối với đĩa quay sinh học yếm khí, Yeh et al., (1997) cho rằng có ba nhóm vi khuẩn

tồn tại trong lớp màng sinh học là vi khuẩn thủy phân, vi khuẩn mê-tan, vi khuẩn sinh a-xít a-xê-tíc Các vi khuẩn chính phía ngoài màng sinh học ở giai đoạn đầu là

vi khuẩn thủy phân và vi khuẩn sinh a-xít a-xê-tíc Các vi khuẩn sinh a-xít a-xê-tíc chiếm phần lớn, có dạng sợi mềm rất dài Các vi khuẩn mê-tan bắt đầu xuất hiện ở giai đoạn hai, chiếm ưu thế ở giai đoạn ba Trong giai đoạn cuối, các vi khuẩn mê-

tan có khuynh hướng tập hợp lại thành cụm đặc trưng, trở thành các vi khuẩn chủ đạo Các vi khuẩn mê-tan thuộc nhóm yếm khí bắt buộc, phải sống trong môi trường yếm khí hoàn toàn.

2.4.5 Khí sinh học trong quá trình xử lý yếm khí

Theo Laquidara et al., (1986) khí mê-tan sinh ra khoảng là 20 L /m2*ngày tại tải nạp hữu cơ áp dụng gần 90 g-COD/m2*ngày Hình 2.4 cho thấy rằng 50% COD được loại bỏ đòi hỏi hệ thống sinh ra nhiều hơn 55% mê-tan Nếu COD được loại

bỏ nhiều hơn, phần trăm mê-tan trong khí thoát ra tiếp tục tăng đến khi khí thoát ra đạt gần 80% mê-tan

Hình 2.4 Phần trăm mê-tan với hiệu suất loại bỏ COD

(Laquidara et al., 1986) Yeh et al., (1997) tiến hành nghiên cứu tốc độ sinh khí sinh học vận hành ở 3 thời

gian lưu nước khác nhau Tốc độ sinh khí tăng khi thời gian lưu nước giảm hay hàm lượng COD đầu vào tăng Sự sinh khí sinh học cũng tăng lên khi tải nạp hữu cơ cao hơn vì nhiều chất hữu cơ bị phân hủy sinh học và chuyển thành khí

Hình 2.5 Tốc độ sinh khí sinh học so với thời gian vận hành tại 3 thời gian lưu khác

nhau (Yeh et al., 1997) Theo Lu et al., (1995) trong điều kiện ổn định, tổng lượng khí sinh học có thể thu

được 38,1 L/ngày và khả năng sinh khí được đánh giá giống như 0,299 L/g COD được loại bỏ ở áp suất 1 atm và nhiệt đô 00C

2.4.6 Ưu và nhược điểm của đĩa quay sinh học yếm khí

Ưu điểm

Theo Yeh et al., (1997) đĩa quay sinh học yếm khí là một công nghệ xử lý nước thải

kiểu mới Đĩa quay sinh học yếm khí bao gồm cả những thuận lợi của đĩa quay sinh học hiếu khí (thời gian lưu nước ngắn, nồng độ sinh khối cao, diện tích bề mặt lớn, chi phí vận hành thấp, vận hành đơn giản, không nhạy cảm với các chất độc, khuấy trộn cục bộ) và yếm khí (không giới hạn việc chuyển đổi ô-xy, khối lượng các chất thải rắn sinh học thấp, thu hồi được năng lượng hữu ích dưới dạng khí mê-tan Ngoài

ra đĩa quay sinh học yếm khí còn có những thuận lợi hơn hẳn các quá trình xử lý yếm khí khác bao gồm:

- Việc vận hành đĩa quay sinh học yếm khí đơn giản hơn công nghệ lớp đệm hóa lỏng yếm khí (AFB) và công nghệ thảm bùn yếm khí dòng chảy ngược (UASB)

- Nhu cầu năng lượng của công nghệ đĩa quay sinh học yếm khí thấp hơn so với công nghệ UASB

Nhược điểm

Đĩa quay sinh học yếm khí là một trong những công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện yếm khí, theo Metcalf & Eddy (1991) xử lý yếm khí nước thải thường có những bất lợi:

- Tốn thời gian vận hành lâu hơn so với công nghệ xử lý hiếu khí

- Thường phải vận hành trong môi trường kiềm hóa

- Thường phải xử lý kết hợp với hệ thống xử lý hiếu khí để nước thải đầu ra đạt quy chuẩn xả thải

- Không thích hợp trong việc loại bỏ Ni-tơ và phốt-pho

- Dễ nhạy cảm với điều kiện bất lợi như nhiệt độ thấp.

- Dễ nhạy cảm với các chất độc

- Sinh ra mùi khó chịu và các chất khí ăn mòn

2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA RƠM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG RƠM ĐỂ SẢN XUẤT BIOGAS

2.5.1 Một số đặc điểm của rơm

Giới thiệu về nguồn nguyên liệu rơm.

ĐBSCL là vùng sản xuất lúa trọng điểm của Việt Nam, với tổng diện tích gieo trồng lúa năm 2014 chiếm 4,24 triệu hecta, trong tổng số 7,81 triệu hecta canh tác lúa của

cả nước (chiếm 54,35%) đã góp khoảng 25,2 triệu tấn trong tổng số 44,9 triệu tấn lúa của cả nước (chiếm 56,12%) (Tổng cục Thống kê, 2015) Tương ứng với diện tích canh tác và sản lượng lúa thì lượng rơm thải bỏ hoặc đốt hằng năm ở ĐBSCL là rất lớn (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2010)

Thành phần, tính chất của rơm.

Giá trị dinh dưỡng của rơm thấp, thành phần chính của rơm là những hy-rát-các-bon gồm: lignocellulose, 37,4%; hemicellulose (44,9%); lignin 4,9% và hàm lượng tro (ô-xít silic) cao từ 9-14% Lignocellulose trong rơm là chất khó phân hủy gây cản trở đến việc sử dụng rơm và làm giảm hiệu quả kinh tế Tùy vào giống lúa trồng mà rơm có nhiều kích cỡ khác nhau và chất lượng rơm rạ phụ thuộc vào điều kiện của

từng vùng (Việt Chương, 2001) Đặc tính hóa học của rơm được Abou-El-Enin et

al., (1999) đã tổng hợp từ 53 giống lúa khác nhau kết quả trung bình được thể hiện

N (%)

Tro (%)

Silica (%)

Ca (%)

Mg (%)

K (%)

P (%)

2.5.2 Một số nghiên cứu sản xuất Biogas từ rơm

Nguyễn Võ Châu Ngân et al., (2012) đã nghiên cứu về khả năng sử dụng lục bình

và rơm là nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ biogas Kết quả cho thấy, hỗn hợp

phân heo và rơm sau ủ nấm có tỉ lệ phối trộn tốt nhất để tạo khí sinh học là 75% phân heo kết hợp vơi 25% rơm Khi hầm ủ có sự kết hợp của phân heo với rơm sau

ủ nấm sẽ sinh khí tốt hơn nhiều so với chỉ nạp 100% phân heo và tỉ lệ phối trộn có thể lên tới 50% rơm sau ủ nấm kết hợp với 50%

Trần Sỹ Nam et al., (2015) đã đánh giá khả năng sử dụng rơm và lục bình trong ủ

yếm khí bán liên tục - ứng dụng trên túi ủ Biogas pô-ly-ê-ty-len (PE) với quy mô nông hộ Kết quả cho thấy có thể sử dụng nguồn nguyên liệu rơm hoặc lục bình để nạp vào các túi ủ ở mức thay thế 50% (theo VS) trong giai đoạn thiếu nguồn chất thải Sự giảm pH, tích lũy tổng các a-xít béo bay hơi (TVFAs), rơm và lục bình nổi trong túi ủ là các yếu tố cần được theo dõi trong các nghiên cứu ứng dụng rơm và lục bình để sản xuất khí sinh học

Trần Sỹ Nam et al., (2014) đã nghiên cứu ảnh hưởng kích thước của nguyên liệu từ

rơm rạ và lục bình đến sản xuất khí sinh học Kết quả cho thấy khí sinh học sinh ra tốt nhất là rơm (RS) 1cm (158,3 L) và lục bình (WH) (210,4 L), tuy nhiên kích thước rơm rạ và lục bình không có ảnh hưởng đáng kể đến thành phần khí sinh học

2.6 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VỀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO CỦA MỘT SỐ HẦM Ủ BIOGAS HỘ GIA ĐÌNH

Phạm Khắc Liệu, Nguyễn Thị Hồng đã tiến hành khảo sát đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo của hầm biogas quy mô hộ gia đình tại Thừa Thiên Huế Đối tượng nghiên cứu là nước thải chăn nuôi lợn đầu vào và đầu ra của 9 hầm biogas ở thành phố Huế, huyện Phú Vang và thị xã Hương Thủy Địa chỉ các hầm biogas nghiên cứu được mô tả ở bảng 2.10

Bảng 2.10 Địa chỉ các hầm biogas nghiên cứu

Hộ ông Lê Hữu Định – Tổ 9, khu vực 2, phường Thủy Phương, TX Hương Thủy

12

13

6,5

4,0MP

Hộ bà Bùi Thị Vang – Tổ 2, phường Phú Hiệp, thành phố Huế

Hộ ông Hoàng Mậu Tuấn – Tổ 2, khu vực 1, phường Phú Hiệp, thành phố Huế

Hộ ông Trương Văn Yên – Tổ 3, khu7 vực 4, phường Xuân Phú, thành phố Huế

Hộ ông Nguyễn Nam – Tổ 3, khu vực 4, phường Xuân Phú, thành phố Huế

Hộ ông Lê Văn Lành – Tổ 3, khu vực 4, phường Xuân Phú, thành phố Huế

Hộ ông Lế Văn Lành – Tổ 7, thôn Mỹ

An, xã Phú Dương, huyện Phú Váng

Các mẫu nước thải đã được lấy trong 3 đợt tại 9 hầm biogas Ở mỗi hầm biogas lấy

2 mẫu bao gồm 1 mẫu nước thải đầu vào và 1 mẫu nước thải đầu ra Mẫu nước thải

đầu vào được lấy tại cống thải của chuồng nuôi vào thời điểm dội

rửa chuồng (trong các khoảng thời gian từ 6g00 – 8g00 và 16g00 – 17g30) Mẫu nước thải đầu ra lấy tại cống xả của hầm biogas Nguyên liệu được nạp hằng ngày với khối lượng phân khoảng 10 – 50 kg/ngày tùy vào từng hộ

Bảng 2.11Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của hầm biogas ở Thừa Thiên

Huế

(TB ± s) (mg/L)

Đầu ra (TB ± s) (mg/L)

2674 ± 712

1674 ± 485

608 ± 87

342 ± 9221,7106

373 ± 123

244 ± 96

536 ± 89

318 ± 8410,6106

86,1 ± 5,485,4 ± 6,111,8 ± 6,07,0 ± 0,0351,2

Số liệu phân tích mẫu nước thải đầu vào và đầu ra ở 9 hầm biogas cho thấy, việc sử dụng hầm biogas để xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã làm giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm Trung bình, COD giảm 84,7%, BOD giảm 76,3%, SS giảm 86,1%, VSS giảm 85,4%, TKN giảm 11,8%, TP giảm 7,0% và Fecal coliform giảm 51,2% Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra vẫn còn khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 24:2009/BTNMT, cột B, TCN 678 - 2006)

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN, ĐỐI TƯỢNG

3.1.1 Địa điểm và thời gian

Các thí nghiệm được tiến hành tại các phòng thí nghiệm (PTN) của bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Môi Trường & Tài nguyên Thiên nhiên (MT&TNTN), Trường Đại học Cần Thơ

Mẫu được phân tích tại Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng thuộc Sở Khoa Học và Công Nghệ Thành phố Cần Thơ, Địa chỉ: 45 đường 3/2 –

TP Cần Thơ, Trung Tâm Phân Tích Và Kiểm Định Hàng Hóa XNK CN Công Ty TNHH Thiết Bị Hải Ly, Địa chỉ: Lô 8, Đường số 1, KDC Phú An, P Phú Thứ, Q Cái Răng, TP Cần Thơ

Thành phần, thể tích khí sinh học và chỉ tiêu pH được đo tại Khoa Môi Trường & Tài Nguyên Thiên Nhiên

Luận văn được tiến hành từ đầu tháng 12/2015 đến cuối tháng 04/2016

3.1.2 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình lồng quay sinh học yếm khí với giá thể là rơm

Nước thải chăn nuôi heo

3.2 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM

Kích thước của mô hình LQR sử dụng trong thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành trên 2 lồng quay sinh học yếm khí được chế tạo với các thông số

Chiều rộng bể: R = 0.39 m

Chiều dài bể: Llồng = 0.73 m

Chiều sâu công tác: 0.5 m

Chiều cao mặt thoáng: 0.07 m

Hình 3.1 Sơ đồ lồng quay sinh học yếm khí sử dụng trong thí nghiệm (bản vẽ chi

tiết Phụ lục F)Lồng quay được thiết kế yếm khí, phần trên có nắp đậy bằng kim loại, phía trên nắp được lắp 1 van khí nối với ống dẫn khí đi vào túi thu khí nhôm

Giá thể cho mô hình:

Hình 3.2 Rơm làm giá thể dùng trong thí nghiệm

Giá thể được sử dụng cho mô hình LQR là rơm có chiều dài khoảng 30 – 70 cm.Diện tích bề mặt giá thể: S= 35,78m2

Phần trăm độ rỗng giá thể: M=86,67% (Phụ lục B, trang 46 - 52)

Ngoài ra còn có 20 túi thu khí nhôm để thu khí sinh học sinh ra hàng ngày

3.3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

3.3.1 Giai đoạn chuẩn bị

Chuẩn bị hai mô hình có giá thể đều là rơm

Đo kích thước, tính tổng diện tích bề mặt giá thể và phần trăm độ rỗng của giá thể rơm

Sau đó tiền xử lý rơm 5 ngày bằng cách ngâm rơm trong nước thải hầm ủ biogas đang hoạt động trong 5 ngày để thúc đẩy quá trình tạo màng sinh học, và khả năng phân huỷ của rơm

3.3.2 Giai đoạn vận hành

Thời gian nhân đôi của vi khuẩn tạo mê-tan rất lâu từ 3-30 ngày (Gerardi, 2003) Chính vì thế, trong giai đoạn đầu, nước thải hầm ủ biogas và phân heo được bổ sung vào hai lồng quay để bổ sung nguồn vi sinh vật yếm khí cho bể, giúp cho quá trình tạo màng sinh học và khả năng sinh khí biogas của bể tăng lên Thành phần và thể khí sinh học sinh ra mỗi ngày sẽ được xác định để nhận biết lồng quay sinh học đã hoạt động ổn định Khi lồng quay sinh học đã ổn định bắt đầu phân tích mẫu nước thải đầu vào và đầu ra trong 3 ngày liên tục với các chỉ tiêu cần theo dõi: pH, COD, BOD5, SS, TKN, TP, NH4+ Đồng thời theo dõi thành phần và thể tích khí sinh học sinh ra mỗi ngày trong quá trình vận hành từ ngày đầu tiên tới ngày cuối cùng thí nghiệm

Hai mô hình được vận hành bán liên tục mỗi ngày nạp nước thải hai lần vào 8 giờ sáng và 15 giờ chiều (tương ứng với hai lần vệ sinh chuồng trại tại nông hộ).

Thí nghiệm: Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng lồng quay sinh học yếm khí với giá thể rơm trên hai thời gian lưu khác nhau

Từ kết quả nghiên cứu trước đó ở lồng quay sinh học yếm khí có giá thể là rơm thực hiện trên 2 thời gian là 32h và 72 cho hiệu suất loại bỏ COD, BOD vẫn còn rất thấp

Do đó, tiếp tục tiến hành thí nghiệm ở mốc thời gian lưu nước 3 ngày và với thời gian lưu nước dài hơn là 6 ngày

Lưu lượng nạp nước của LQR3N

Qnạp = = 𝑉 = 46,7 (L/ngày)

𝜃

140 × 24 72

Lưu lượng nạp nước của LQR6N

Qnạp = = 𝑉 = 23,3 (L/ngày)

𝜃

140 × 24 144

xử lý và kết luận

Sơ đồ các bước tiến hành thí nghiệm

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU CẦN THEO DÕI

Các chỉ tiêu nước thải SS, TKN, TP, NH4+ đầu vào và đầu ra được trung tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng trực thuộc Sở Khoa Học và Công Nghệ Thành phố Cần Thơ

Các chỉ tiêu BOD, COD đầu vào và đầu ra được Trung Tâm Phân Tích Và Kiểm Định Hàng Hóa XNK CN Công Ty TNHH Thiết Bị Hải Ly, Địa chỉ: Lô 8, Đường

số 1, KDC Phú An, P Phú Thứ, Q Cái Răng, TP Cần Thơ phân tích theo các phương pháp trong bảng 3.1

Nước thải đầu vào

Lồng quay sinh học với giá thể

là rơm với thời gian lưu 3 ngày là rơm với thời gian lưu 6 ngày Lồng quay sinh học với giá thể

Phân tích các chỉ tiêu nước thải

đầu vào và đầu ra (pH, SS,

COD, BOD5, TKN, TP, NH4+)

Phân tích các chỉ tiêu nước thải đầu vào và đầu ra (pH, SS, COD, BOD5, TKN, TP, NH4+)

Đánh giá khả năng xử lý nước thải và sinh khí của

hai mô hình

Kết luận