Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học : Luận văn ThS. Khoa học môi trường: 60 44 03 01

Trên cơ sở đó, khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn bằng các phương pháp hóa lý, sinh học và đề xuất sơ đồ dây chuyền công

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN QUANG NAM

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

HÓA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN QUANG NAM

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

HÓA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Quy

TS Trần Hùng Thuận

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác Luận văn này là một phần nghiên cứu

trong đề tài cấp bộ: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc polyme hợp khối

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

đề tài

Học viên

Nguyễn Quang Nam

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Văn Quy - Giảng viên khoa Môi trường - Đại học Khoa học Tự nhiên, TS Trần Hùng Thuận - Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

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

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

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

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

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

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

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

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Nguyễn Quang Nam

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT i

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH iii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường 3

1.1.1 Đặc tính nước thải chăn nuôi 3

1.1.2 Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường 4

1.2 Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi 5

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi 7

1.3.1 Phương pháp vật lý 7

1.3.2 Các phương pháp hóa lý 8

1.3.3 Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh 8

1.3.4 Các công nghệ xử lý khác 14

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Phương pháp thu thâ ̣p số liê ̣u 22

2.2.2 Phương pháp phân tích đánh giá 22

2.3 Phương pháp thực nghiê ̣m 23

2.3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền xử lý nước thải chăn nuôi 23

2.3.2 Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp màng vi lo ̣c polyme 24

2.3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ 30

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn 32 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng phèn sắt33

3.2.1 Ảnh hưởng của pH 33

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ 35

3.3 Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học 36

3.3.1 Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học 37

3.3.2 Hiệu suất xử lý Amoni 40

3.3.3 Hiệu suất xử lý nitrat 42

3.3.4 Hiệu suất xử lý PO43--P 43

3.3.5 Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme 44

3.4 Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn tiền xử lý keo tụ bằng phèn sắt kết hợp sinh học 45

3.5 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn xử lý tăng cường nước thải chăn nuôi lợn sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng 47

3.5.1 Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR 47

3.5.2 Ảnh hưởng của pH 48

3.5.3 Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ 49

3.6 Đánh giá, so sánh hiệu quả và lựa chọn mô hình tối ưu xử lý nước thải chăn nuôi52 3.7 Sơ bộ đánh khả năng áp dụng trong thực tế 53

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC VIẾT TẮT

BIOGAS Khí sinh học (Biological Gas)

BOD Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biological oxygen demand)

COD Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical oxygen demand)

HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)

MBR Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrance Bio Reacto) MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended Solid) MLVSS Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (Mixed Liquor Volatile

Suspended Solid)

QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

SRT Thời gian lưu bùn (Sludge retention time)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UASB Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí

(Upflow anearobic sludge blanket)

XLNT Xử lý nước thải

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9] 4

Bảng 3.1 Đặc tính của nước thải lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – xã Bích Hòa 32

huyê ̣n Thanh Oai – Hà Nội 32

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả tiền xử lý bằng phèn sắt 33

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý 35

Bảng 3.4 Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào (M1) hệ xử lý 36

Bảng 3.5 Mật độ Coliform trước và sau khi xử lý 44

Bảng 3.6 Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học kết hợp lọc màng MBR 47

Bảng 3.7 Đánh giá ưu nhược điểm của các giai đoạn xử lý 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay đối với

cơ sở chăn nuôi 6

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống UASB 11

Hình 1.3 Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián đoạn 14

Hình 1.4 Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học 15

Hình 1.5 Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học 16

Hình 2.1 Mô hình bố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý 24

Hình 2.2 Cấu tạo bể yếm khí, thiếu khí 25

Hình 2.3 Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí 26

Hình 2.4 Sơ đồ bể hiếu khí 27

Hình 2.5 Cấu tạo sợi màng 28

Hình 3.1 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt 34

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý 35

Hình 3.3 Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học 38

Hinh 3.4 Sự biến thiên NH4+-N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học 40

Hình 3.5 Diễn biến NO3--N theo thời gian 42

Hình 3.6 Diễn biến PO43--P qua các bể theo thời gian 43

Hình 3.7 Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học 46

Hình 3.8 Tính chất mang màu khác nhau của các chất humic 47

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu 48

Hình 3.10 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD 49

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý 50

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ phèn nhôm đến hiệu suất xử lý 51

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, ngành chăn nuôi đã tăng trưởng nhanh, đóng góp quan trọng vào việc phát triển kinh tế của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại thì chăn nuôi cũng đang nảy sinh vấn đề về chất lượng môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải ra khoảng 75 - 85 triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng và nước thải không qua xử lý, xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [1]

Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi lợn đều

để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30 - 40 lần Tổng số vi sinh vật (VSV) và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi lợn còn có chứa COD, tổng nitơ, tổng phốtpho, cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép Chính vì vậy

có thể thấy rằng một thực trạng ở nước ta là vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua hoặc bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả và bền vững Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với nguồn nước thải đặc thù này Nói cách khác các mô hình xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy định của tiêu chuẩn ngành chăn nuôi [9]

Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả

xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học” sẽ góp

phần phát triển hướng ứng dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ môi trường tại Việt Nam

Mục tiêu của đê tài:

Mục tiêu của đề tài là phân tích, đánh giá các đặc tính ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – Xã Bích Hòa – huyện Thanh Oai – thành phố Hà Nội Trên cơ sở đó, khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử

lý chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn bằng các phương pháp hóa lý, sinh học và đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2013/BTNMT, cột B)

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiền xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý;

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau tiền xử lý bằng phương pháp hợp sinh học kết hợp lọc màng polyme;

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước thải sau xử lý sinh học kết hợp lọc màng polyme bằng phương pháp keo tụ

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường

1.1.1 Đặc tính nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi với khối lượng nước thải rất lớn Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, phốtpho và vi sinh vật gây bệnh Cụ thể:

- Chất hữu cơ:

Trong thành phần chất rắn của nước thải thì thành phần hữu cơ chiếm 70 - 80% gồm các hợp chất hydrocacbon, proxit, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của chúng có trong phân và thức ăn thừa Chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối clorua, SO42-…

- Nitơ và phốtpho:

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

Phốtpho được sinh ra trong quá trình tiêu thụ thức ăn của vật nuôi, lượng phốtpho chiếm 0,25 – 1,4%, và một ít trong nước tiểu, xác chết của vật nuôi Trong nước thải chăn nuôi phốtpho chiếm tỉ lệ cao, tồn tại ở các dạng orthophotphat (HPO42-, H2PO4, PO43-), metaphotphat (hay polyphotphat PO43-) và photphat hữu

cơ

- Vi sinh vật:

Vi khuẩn điển hình như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella sp, Shigenla

sp, Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết

lỵ Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus,

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

trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng hòa nhập vào nguồn nước Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy đặc điểm của nước thải chăn nuôi [9]:

Bảng 1.1 Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9]

Trại Thụy Phương

Trại Tam Điệp

Trại Gia Nam

Trại Hồng Điệp

QCVN 40: 2011/BTNMT (cột B)

1.1.2 Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi phát triển với tốc độ rất nhanh, đặc biệt là chăn nuôi lợn do nhu cầu về thịt lợn của người tiêu dùng tăng mạnh Bên cạnh đấy là việc phát sinh ra các vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Nước thải từ các cơ sở chăn nuôi thường được thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận không qua xử lý hay xử lý không đầy đủ gây ô nhiễm môi trường nước, không khí

và đất trầm trọng

Nước thải chăn nuôi có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh [3] Nitơ, phốtpho trong nước thải chăn nuôi cao chưa qua xử lý chảy vào sông, hồ sẽ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng, gây phú dưỡng nguồn nước

Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitrat tạo chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng

có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

Kháng sinh, hoóc môn tăng trọng mặc dù được trộn vào thức ăn gia súc ở liều lượng thấp nhưng có thể gây ô nhiễm Kháng sinh trong nước có thể tạo ra các chủng vi khuẩn nhờn thuốc Hooc môn có thể gây biến thể, thay đổi giới tính trong các loài động vật hoang dã, các loài cá

Kim loại nặng như đồng, kẽm, coban, sắt, mangan có trong thức ăn gia súc Các động vật chỉ hấp thụ chúng rất ít, từ 5 - 15%, còn lại thải ra ngoài Các kim loại ấy đều có hại cho sức khỏe con người khi uống phải nước ô nhiễm hay ăn thịt động vật

1.2 Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi

Ở nước ta việc xử lý chất thải chăn nuôi còn nhỏ lẻ theo phương pháp truyền thống đơn giản như: phân được ủ hoặc dùng tươi làm thức ăn nuôi cá hoặc làm phân bón cho cây trồng, chất thải lỏng được xử lý qua biogas và chảy thẳng ra ngoài môi trường hoặc dùng để tưới cây Tuy nhiên, quy mô chăn nuôi ngày một mở rộng, chất thải chăn nuôi ngày một nhiều nên phương pháp xử lý truyền thống không còn thích hợp đã gây ra ô nhiễm làm ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống của nhiều vùng [5]

Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước thải của các cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, máng uống và nước tắm rửa cho lợn Tất cả các cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra đều chỉ có hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas và theo quy trình: Nước thải  Bể Biogas 

Hồ sinh học  thải ra môi trường (Hình 1.1) Hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn khác trên toàn quốc hiện nay cũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên Quy trình này

có ưu điểm là sản xuất được năng lượng sinh học (khí Biogas) từ chất thải phục vụ các mục đích sinh hoạt, tuy nhiên chất lượng nước thải sau khi xử lý đều không đạt các tiêu chuẩn thải đặc biệt đối với các chỉ tiêu COD, BOD, T-N, T-P và các chỉ tiêu vi sinh khác Ngoài ra đối với các trang trại tập trung chăn nuôi quy mô lớn, mô hình này không đáp ứng được công suất xử lý do đòi hỏi thời gian lưu dài của nước thải (khoảng 30 - 40 ngày) trong thiết bị xử lý dẫn tới việc phải xây dựng hệ thống

xử lý trên một diện tích lớn, mà điều này chắc chắn là không mong muốn đối với các chủ trang trại, thậm chí là bất khả thi trong tình hình áp lực về đất đai hiện nay

(A) quy mô nhỏ, (B) quy mô vừa và lớn

Hình 1.1 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay đối

với cơ sở chăn nuôi

Trong những năm qua, một số mô hình xử lý chất thải chăn nuôi đã được nghiên cứu và triển khai công nghệ vào thực tế ở Việt Nam Chẳng hạn mô hình xử

lý nước thải chăn nuôi bằng thực vật thủy sinh, mô hình đất ngập nước …Tuy mức

độ thành công của mỗi mô hình là khác nhau nhưng đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bước đầu đưa các công nghệ xử lý chất thải tiên tiến vào Việt Nam Mặc

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

Chính vì vậy có thể thấy rằng ở nước ta, một thực trạng là vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua hoặc bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả và bền vững Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với nguồn nước thải đặc thù này Nói cách khác các mô hình xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy định của ngành chăn nuôi

Nhìn chung, việc quản lý nước thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn

Vì vậy cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để quản lý và khắc phục vấn đề môi trường do chất thải chăn nuôi gây ra

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi

1.3.1 Phương pháp vật lý

Các phương pháp áp dụng như: sàng lọc; tách cơ học; trộn, khuấy; lắng; lọc hay hóa lỏng khí…nhằm loại bỏ một phần cặn ra khỏi nước thải chăn nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học và sinh học tiếp theo được thực hiện tốt hơn Phương pháp vật lý thường được kết hợp với các phương pháp sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các quá trình chuyển hóa và tách các chất cặn, chất kết tủa hay sau tuyển nổi … [5]

1.3.2 Các phương pháp hóa lý

Các quá trình thường áp dụng là: trung hòa; sử dụng các chất oxy hóa khử; kết tủa hay tuyển nổi; hấp phụ; tách bằng màng và khử trùng;… Trong đó, xử lý hóa học thường gắn với phương pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học … [5]

Trong nước thải chăn nuôi thường chứa nhiều thành phần hòa tan hay các hạt có kích thước nhỏ, không thể tách khỏi dòng nước thải bằng phương pháp vật

lý Để tách các thành phần này ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng các tác nhân tạo keo tụ như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ, polyme hữu cơ… Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải, tuy nhiên chi phí đầu tư xây dựng và giá thành vận hành cao

Ngoài ra, ở một số cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi hỏi mức độ sạch sinh học cao, còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Phương pháp thường gặp nhất là diệt trùng nước thải sau xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận bằng clo hoặc các dẫn xuất của chúng như canxihydrocloride, clorua vôi, cloramine để khử trùng nước thải Khi vào nước, clo kết hợp với nước tạo ra axit HOCl là chất có tính oxy hóa mạnh, có tác dụng diệt khuẩn và khử mùi

1.3.3 Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của VSV để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các VSV sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ VSV gọi

là quá trình oxy hóa sinh hóa

Nước thải có thể xử lý sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD Để có thể xử lý bằng phương pháp sinh học nước thải cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không vượt

quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5 Nhìn chung, phương pháp sinh học có thể chia thành 2 loại là: xử lý kỵ khí và xử lý hiếu khí

Phương pháp xử lý kị khí (yếm khí):

+) Lọc kị khí (giá thể cố định dòng chảy ngược dòng): Bể lọc kị khí là cột

chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho VSV kị khí sống bám trên bề mặt Giá thể có thể là đá, sỏi, than, giá thể nhựa tổng hợp, tấm nhựa, giá thể sứ… Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài, vì vậy thời gian lưu nước giảm có thể vận hành với tải trọng cao Lọc kị khí có sử dụng giá thể là đá hoặc sỏi thường bi bịt tắc

do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ lại khe rổng Giá thể là vật liệu tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) nên VSV bám dính và chúng thường được thay thế cho sỏi đá Tỷ lệ riêng diện tích bề mặt/thể tích bề mặt vật liệu thông thường dao dộng trong khoảng 100 - 220 m2/m3 Trong bể lọc kị khí

do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối, nên rất dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn Để khắc phục nhược điểm này có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua hệ thống phân phối khí Sau thời gian vận hành, các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể Có thể nhận thấy được khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực trong bể bị rút ngắn Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng xả đáy và rửa ngược

+) Hồ yếm khí: ở đây các vi khuẩn yếm khí phân hủy các chất hữu cơ thành

các sản phẩm cuối ở dạng khí là CO2 và CH4, them vào đó là hợp chất trung gian phát sinh mùi như các axit hữu cơ, H2S Đặc tính của nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cụ thể là protein, mỡ,

có nhiệt độ tương đối cao, không chứa các chất độc và đủ các chất dinh dưỡng Các tiêu chuẩn vận hành bình thường đối với hồ yếm khí có thể đạt hiệu suất khử BOD bằng 75% là tải trọng BOD bằng g BOD/m3.ngày, thời gian lưu tối thiểu là 4 ngày,

hồ làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 25oC Vấn đề vận hành thường gặp đối với loại hồ

này là sự giảm nhiệt độ do mặt hồ không được lớp dầu mỡ phủ kín để cách nhiệt và tránh tác động khuấy trộn của gió Nếu hồ vận hành đúng sẽ không phát sinh mùi làm ô nhiễm môi trường xung quanh Ưu điểm của xử lý yếm khí so với quá trình hiếu khí là sinh ra ít bùn hơn và không cần thiết bị thông khí, nhưng nhược điểm của nó là phân hủy không triệt để nên chất thải cần được xử lý tiếp bằng quá trình thứ cấp là quá trình hiếu khí Mặt khác quá trình phân hủy yếm khí cần nhiệt độ khá cao

+) Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow anearobic

sludge blanket - UASB): đây là một trong những quá trình xử lý kị khí được sử dụng

rộng rãi nhất trên thế giới nhờ có các đặc điểm như tích hợp cả 3 quá trình phân hủy

- lắng bùn - tách khí trong một công trình; thứ 2 là tạo ra các loại bùn hạt có nồng

độ VSV cao và tốc độ lắng cao hơn so với bùn của quá trình hiếu khí dạng lơ lửng Quá trình hoạt động của UASB như sau: nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể và

đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt Khí sinh ra trong điều kiện kị khí chủ yếu là CH4 và CO2, sẽ tạo dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì sinh học dạng hạt Khí sinh ra từ các hạt bùn sẽ dính vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể Tại đây quá trình tách khí - lỏng - rắn được thực hiện nhờ bộ phận tách pha Khí có thể được thu hồi nhờ đi qua bồn hấp thụ chứa NaOH 5 – 10%, hoặc thải ra môi trường nếu khối lượng ít Nước thải được chảy qua máng chảy tràn vào thiết bị

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống UASB

Phương pháp xử lý hiếu khí: là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm VSV

hiếu khí Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 - 40oC Một số quy trình xử lý hiếu khí có thể kể đến như:

+) Bể phản ứng sinh học hiếu khí (aeroten truyền thống): Aeroten là công

trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp thiết

kế bằng kim loại hình khối trụ Thông dụng nhất là bể aeroten dạng khối hình chữ nhật Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten Các chất lơ lửng này là số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ dạng chưa phải hòa tan Các chất lơ lửng làm nơi để VSV bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các hạt bông cặn Các hạt này dần to và lơ lửng trong nước, chính vì vậy phương pháp này gọi là quá trình xử lý với sinh trưởng lơ lửng của quần thể VSV Các bông cặn này chính là bùn hoạt tính, chúng có màu nâu sẫm, chứa các chất hấp phụ trong nước thải là nơi cư trú cho các

vi khuẩn cùng các VSV bậc thấp khác Hợp chất hữu cơ hòa tan là hợp chất dễ phân hủy nhất Ngoài ra có các hợp chất khó phân hủy, hoặc hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo – các hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết

ra enzym ngoại bào, phân hủy thành các chất đơn giản rồi thẩm thấu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho các tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước

+) Mương oxy hóa (Oxidation ditch): Là một dạng aeroten khuấy trộn hoàn

chỉnh, làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn trong mương Nước thải có độ nhiễm bẩn cao BOD20 khoảng từ 1000 đến

5000 mg O2/L có thể đưa vào xử lý ở mương oxy hóa Đối với nước thải sinh hoạt chỉ cần song chắn rác, lắng cát và không cần qua lắng sơ cấp là có thể đưa vào mương oxy hóa Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g

O2/kg.ngày Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương, do đó số lượng bùn giảm khoảng 2,8 lần Thời gian xử lý từ 1 - 3 ngày Mương có dạng hình chữ nhật hay hình elip, đáy làm bằng bê tông cốt thép, chiều sâu từ 0,7 - 1 m, tốc độ nước ≥ 0,3 m/s

+) Lọc sinh học (Biofilter): Phương pháp này dựa trên quá trình hoạt động của

VSV ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học Ở đây chúng phát triển

và gắn với giá mang là các vật liệu lọc Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom vào lắng 2 Nước vào lắng 2 có thể kéo theo những mãnh vỡ của màng sinh học bị lóc khi lọc Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc Lọc sinh học chia làm hai loại: lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước và ngập trong nước

+) Hồ sinh học hiếu khí: hay còn gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định, là một

chuỗi từ 3 đến 5 hồ, nước thải chảy qua hệ thống hồ với vận tốc không lớn Trong

hồ nước thải được làm sạch bằng tự nhiên bao gồm cả tảo và vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy lực lớn 30 – 50 ngày Các vi khuẩn sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ Còn tảo đến lượt mình sử dụng CO2, NH4+, phốtpho được giải phóng ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp Để hồ sinh học làm việc bình thường, cần duy trì pH và nhiệt

độ ở giá trị tối ưu Trong hồ xẩy ra các quá trình sau: oxy hóa các chất hữu cơ bởi các VSV hiếu khí ở lớp nước ở trên hồ; quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên; phân hủy chất hữu cơ của các vi khuẩn yếm khí ở đáy hồ Gió và nhiệt độ là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mức độ khuấy trộn nước trong hồ Ở đây khuấy trộn có hai chức năng: giảm tới mức tối thiểu, rút ngắn thời gian lưu và các vùng chết trong hồ; phân phối đều các chất dinh dưỡng, oxy cho tảo và VSV

+) Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR -Sequencing

Batch Reactor): các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư Đầu tiên, nước thải cho vào bể trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước Sau đấy, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí với thời gian thổi khí theo yêu cầu Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hoá trong giai đoạn này Bùn để lắng trong điều kiện tĩnh, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi

bể Lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí xả ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục Công trình SBR hoạt động gián đoạn, theo chu kỳ Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn, v.v diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 50 mg/L, hàm lượng cặn lơ lửng từ 10 - 45 mg/L và NH3-N khoảng từ 0,3 - 12 mg/L

Bể aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai Trong nhiều trường hợp, có thể bỏ qua bể điều hoà và bể lắng sơ cấp

Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn (SBR) có thể khử được nitơ và phốtpho

do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng

việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơle Trong ngăn bể được bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn

Hình 1.3 Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián đoạn

1.3.4 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi

Việc xử lý chất thải chăn nuôi đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát triển từ cách đây vài chục năm Các nghiên cứu của các tổ chức và các tác giả như (Zhang và Felmann, 1997), (Boone và cs., 1993; Smith & Frank, 1988), (Chynoweth và Pullammanappallil, 1996; Legrand, 1993; Smith và cs., 1988; Smith

và cs., 1992), (Chynoweth, 1987; Chynoweth & Isaacson, 1987) Các công nghệ

áp dụng cho xử lý nước thải chăn nuôi có tải trọng ô nhiễm cao trên thế giới chủ yếu là các phương pháp sinh học Ở các nước phát triển, quy mô trang trại hàng trăm hecta, trong trang trại ngoài chăn nuôi lợn quy mô lớn (trên 10.000 con lợn), phân lợn và chất thải lợn chủ yếu làm phân vi sinh và năng lượng Biogas cho máy

phát điện, nước thải chăn nuôi được sử dụng cho các mục đích nông nghiệp

- Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi:

Hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để loại bỏ nitơ khỏi nước thải là vật lý và sinh học Phương pháp vật lý đó là sử dụng sàng lọc để loại bỏ nitơ bám dính trong chất rắn lơ lửng Van Horn và cộng sự (1994) đã chỉ ra rằng có rất nhiều

các chất dinh dưỡng bao gồm nitơ tồn tại trong nước thải sau khi đã qua sàng lọc Nghiên cứu của Powers (1993) cho thấy chưa đến 10% nitơ bị loại bỏ bởi sàng lọc Sàng lọc có thể loại bỏ một số chất dinh dưỡng, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn các nitơ hòa tan Chính vì thề mà phương pháp sinh học là sự lựa chọn tiếp theo trong xử lý nitơ

Nhiều loại hệ thống sinh học loại bỏ nitơ đã được phát triển Phổ biến là hệ kết hợp nối tiếp nhau 2 khu vực hiếu khí và yếm khí, tạo điều kiện để quá trình nitrat hóa và khử nitrat xảy ra Một vài hệ xử lý tách biệt quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa thành hai bể bùn riêng biệt Quá trình nitrat hóa và khử nitrat xảy ra trong cùng một bể bùn nhưng tách thành hai khu vực cũng đã được sử dụng

Một vài quá trình xử lý loại bỏ nitơ trong cùng một bể bùn được phát triển bởi Ludzack – Ettinger (MLE) (1962) và Bardenpho (1975) (Hình 1.4 và 1.5) Các quá trình làm việc tách biệt sục khí và không sục khí Trong MLE, nước thải tuần hoàn

từ bể hiếu khí quay trở lại bể thiếu khí Trong Bardenpho có thêm 2 bể (1 bể thiếu khí và 1 bể hiếu khí) lắp sau bể thiếu khí và hiếu khí đầu tiên, do đó ở bể thiếu khí thứ 2 xảy ra quá trình khử nitrat nhiều hơn bởi phân hủy nội sinh và cơ chất chậm, đóng vai trò như một nguồn cacbon cho quá trình khử nitrat

Hình 1.4 Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học

Hình 1.5 Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học

Các tác giả Ancheng Luo; Jun Zhu; Pius M Ndegwa (2002) đã nghiên cứu về hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn với điều kiện sục khí liên tục và không liên tục ở bể ô xi hóa khử thấp Kết quả cho thấy: Sục khí ở tốc độ 0 – 0.667 L/ph.L liên tục làm giảm T-N, NH4+

-N tương ứng 24%, 32,3% (với đầu vào T-N là 2,88 g/l) Sục khí không liên tục (tắt bật sau 2 giờ) đạt được khoảng ½ hiệu quả loại

bỏ T-N và NH4+-N như sục khí liên tục [13] Cũng nghiên cứu về các hệ mẻ sục khí không liên tục, nhưng có các điều chỉnh về mặt vận hành và thêm hóa chất MgSO4làm kết tủa NH4-N của nhóm tác giả Takaaki Maekawa, Chung - Min Liao và Xing - Dong Feng (1995) nên đã đạt được hiệu quả xử lý cao hơn Hiệu suất loại bỏ T-N từ

1166 xuống 102 mg/L và NH4+-N từ 519 xuống 2 mg/L, tương ứng đạt 91 và 99% với điều kiện hoạt động được lựa chọn là: pH = 7,5; thời gian lưu thủy lực là 1 giờ; nhiệt độ 25oC; sục khí tắt mở sau 1 giờ; tỷ lệ NH4-N:PO4-P:Mg = 1:0,6:0,9

Phản ứng kết tủa amoni:

Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H20 ↔ MgNH4PO4.6H20 ↓ Các nghiên cứu loại bỏ nitơ gần đây thường sử dụng hệ xử lý theo mẻ liên tục SBR Hệ SBR gồm rất nhiều giai đoạn xử lý được thực hiện trong cùng một bể phản ứng Hệ SBR có khả năng loại bỏ các chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi

sau khi qua phân hủy kỵ khí Kết quả nghiên cứu của nhóm D.Obaja cho thấy: với

chế độ vận hành HRT 8 giờ mỗi chu kỳ và SRT 11 ngày, nồng độ bùn trong bể dao động 3000 – 4000 mg/L: Trong 2 giờ đầu (giai đoạn kỵ khí), hầu như nồng độ nitơ không thay đổi Sau đấy, quá trình nitrat hóa xảy ra trong 4 giờ, NH4+ chuyển sang

NO -, nồng độ nitrat tăng Sau giai đoạn hiếu khí, hầu như NH + đã chuyển sang

NO3- Trong giai đoạn thiếu khí, nitrat giảm, chuyển sang N2 Giai đoạn này hệ cần

bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào như axit acetic, etanol Hiệu suất loại bỏ nitơ đạt được rất cao, 99,7% Tuy nhiên, khi nồng độ NH4+ cao hơn 500 mg/L, quá trình nitrat hóa không xảy ra hoàn toàn Chẳng hạn, với nồng độ NH4+ 550 mg/L, nồng

độ NH4+ đầu ra là 50 mg/L, mặc dù hiệu suất đạt được vẫn rất cao, 90,9% [19] Do

đó, hệ này cần phải tăng hàm lượng sinh khối trong bể phản ứng hoặc phải kéo dài thời gian sục khí

Hee Seok Kim và các cộng sự (2008) đã nghiên cứu tăng cường khả năng loại

bỏ nitơ của nước thải chuồng lợn bằng màng lọc kết hợp với bể phản ứng nitrat hóa Thông thường nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và phốtpho Do đó, rất khó để duy trì tốt hiệu quả chất lượng bằng quá trình bùn hoạt tính truyền thống Vi sinh oxy hóa chất hữu cơ có giá trị năng suất cao hơn so với VSV nitrat hóa Nếu thời gian lưu bùn (SRT) ngắn hơn thì sẽ rất khó để ổn định VSV nitrat hóa Vì thế các tác giả đã sử dụng hệ MBR để đạt được thông số MLSS cao và thời gian lưu bùn dài nhằm tăng cường hoạt động bể nitrat hóa Các tác giả

đã sử dụng hệ thống AO và AO2 với thời gian lưu nước (HRT) 5 ngày Trước bể nitrat hóa kết hợp với hệ thống AO, nguồn amoni đầu vào được duy trì ở nồng độ cao để quá trình nitrat hóa chiếm ưu thế ở bể nitrat hóa Hệ thống AO2 được kết hợp với bể thiếu khí 6 L, bể hiếu khí 12L và bể nitrat hóa 9L Hệ thống được nghiên cứu với 4 bước: thay đổi tỷ lệ tuần hoàn, thay đổi HRT, và trường hợp có hoặc không có bể nitrat hóa Nước thải chuồng lợn đã được tiền xử lý bằng ly tâm và tiền

xử lý sinh học Đặc tính nước thải đầu vào: COD 6419 mg/L, T-N 4212 mg/L,

NH4+-N 2560 mg/L và NO3--N 1050 mg/L Như vậy, trong trường hợp này tỷ lệ C/N rất thấp Trong hệ thống AO, tỷ lệ tuần hoàn thay đổi từ 100% đến 500% Kết quả cho thấy tỷ lệ tuần hoàn 300% đạt được hiệu quả tốt nhất Kết quả loại bỏ T-N của hệ AO2 là 238 mg/L và đạt hiệu suất 94%, còn hệ AO chỉ đạt 539mg/L Như vậy hiệu suất loại bỏ là 56% tăng so với hệ AO Đặc biệt, hiệu suất loại bỏ NH4+-N

là 68% và NO3--N là 37% tăng so với hệ AO Kết quả nói lên rằng việc kết hợp với

bể nitrat hóa có thể đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc loại bỏ nitơ mà không cần

bổ sung thêm nguồn cacbon trong trường hợp tỉ số C/N thấp [16]

- Nghiên cứu xử lý phốtpho:

Xử lý hóa lý làm giảm hầu hết T-P bởi làm giảm số lượng các hạt rắn lơ lửng trong nước thải và làm kết tủa T-P bằng các hợp chất của sắt, nhôm và canxi

Nghiên cứu của D M Weaver & G S P Ritchie về loại bỏ phốtpho từ nước thải chuồng lợn cho thấy, hiệu quả loại bỏ T-P bằng vôi tôi và hóa lý đạt 95% và không ảnh hưởng bởi chất lượng nước thải

Theo nghiên cứu của Ancheng Luo (2002), có thể làm giảm PO43- đồng thời tiết kiệm năng lượng bằng cách sục khí không liên tục ở mức ôxi hóa thấp Trong vòng 24 giờ đã loại bỏ được 75% PO43- Khả năng loại bỏ phốtpho giữa sục khí liên tục và không liên tục không có sự khác nhau nhiều [13]

H Kim và các cộng sự (2005) đã nghiên cứu về hệ thống MBR gồm các bể sinh học theo chuỗi thiếu khí - hiếu khí rồi hiếu khí - hiếu khí để loại bỏ nitơ, phốtpho và các hợp chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi Các màng làm từ polysulfone với trọng lượng phân tử (MWCO) 30kDa; diện tích bề mặt của màng là 0,5 m2 HRT tối đa của bể thiếu khí, hiếu khí, hiếu khí không liên tục và hiếu khí tương ứng là 5.3, 3.3, 5.9 và 4.2 ngày, trong khi tỉ lệ tái sinh bên trong của #1, #2,

#3 từ 860% - 1.060%, và duy trì tương ứng ở 150 và 100% Trong quá trình hoạt động, tại bể phản ứng sinh học MLSS dao động trong khoảng 4.040 - 11.100 mg/L,

và nhiệt độ tại bể phản ứng sinh học dao động từ 25,3 - 40,2 oC Thời gian lưu bùn (SRT) khoảng 24 - 61 ngày Trong 6 tháng hoạt động, hiệu quả loại bỏ T-P đạt 82.7% với đầu vào dao động trong khoảng 34 - 192 mg/L [18]

- Nghiên cứu về keo tụ:

Các nghiên cứu về keo tụ cũng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn Việc loại bỏ phốtpho được thực hiện bằng phương pháp kết tủa bởi những hóa chất phổ biến như phèn nhôm, vôi tôi, phèn sắt và các chất trợ keo tụ Kết tủa struvite MgNH4PO4.6H2O đã được cải tiến và có thể loại bỏ cả phốtpho và nitơ Các

yếu tố ảnh hưởng như pH và liều lượng hóa chất đã được nhóm tác giả P.H Liao,

Y Gao và K.V Lo nghiên cứu Chế độ khuấy được thực hiện trên máy jar test trong các cốc 500 ml: khuấy nhanh 100 vòng/phút trong 5 phút, sau đấy khuấy chậm 20 vòng/phút trong 30 phút Cuối cùng để lắng 100 phút Kết quả cho thấy, hiệu quả loại bỏ phốtpho cao nhất ở pH= 9, trong khi đó hiệu quả loại bỏ amonia cao nhất ở pH= 11 Polyme PERCOL 728 đã được sử dụng làm chất trợ keo tụ Và việc kết hợp giữa MgNH4PO4.6H2O và PERCOL 728 có hiệu quả cao hơn trong việc loại bỏ phốtpho, amonia và chất rắn lơ lửng [21]

J Dosta, J Rovira, A Gali, S Mace, J Mata-A lvarez cúng đã khảo sát quy trình kết hợp keo tụ/tạo bông trong hệ SBR để loại bỏ COD và nitơ trong quá trình

xử lý nước thải chăn nuôi lợn Qua khảo sát cho thấy nồng độ FeCl3 tối ưu là 800mg/L với chế độ khuấy: khuấy nhanh trong 30 giây, sau đó khuấy chậm 15 phút,

và cuối cùng để lắng 20 phút Kết quả là T-COD và SS giảm tương ứng trên 66 và 74%, và loại bỏ T-N trên 98% khi làm việc với thời gian lưu nước HRT 2,7 ngày và SRT 12 ngày, nhiệt độ 32oC, 3 giai đoạn hiếu khí với 1 giai đoạn thiếu khí, sục khí ngắt nghỉ Liều lượng chất keo tụ như trên không gây ảnh hưởng đến hoạt động của VSV nitrat hóa và khử nitrat hóa [22]

Nghiên cứu tiền xử lý hóa lý bằng keo tụ kết hợp với MBR để nâng cao hiệu quả xử lý và giảm hiện tượng tắc màng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã được H.Kim và các cộng sự (2005) thực hiện trong 5 tháng Hiệu suất trung bình loại bỏ BOD, COD, NH3-N trong quá trình keo tụ tương ứng là 64,3; 77,3 và 40,4%, trong

đó hiệu suất loại bỏ nitơ thấp hơn các thông số khác Hiệu suất loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4% chủ yếu là do trung hòa điện tích Nước thải sau quá trình

xử lý keo tụ được thu gom lại và là đầu vào của MBR với tải lượng COD trung bình

là 0,57 kg COD/m3 ngày Độ đục đầu vào biến động từ 1,7 – 56,0 NTU không làm ảnh hưởng đến đầu ra độ đục, vẫn duy trì dưới 2,0 NTU Chất hữu cơ và nitơ được loại bỏ đáng kể trong MBR Hiệu suất loại bỏ BOD, COD, độ đục và NH3-N trong quá trình MBR đạt tương ứng 99,5; 99,4; 99,8 và 98,2%

Do sự xuất hiện của vi tảo và các sinh vật lơ lửng gây cản trở quá trình xử lý COD và nitơ, phốtpho nên nhóm tác giả Ignacio de Godos, Hector O Guzman, Roberto Soto (2010) đã tiến hành đánh giá khả năng loại bỏ sinh khối tảo và vi khuẩn từ nước thải lợn bằng các hóa chất keo tụ phổ biến là sắt chorua và sắt sunfat

và các polyme như: Drewfloc 447; Flocudex CS/5000; Glocusol CM/78; Chmifloc CV/300 và Chitosan Các thí nghiệm được thực hiện trong các cốc 100 ml, trong đó

có 40 ml vi khuẩn tảo và khuấy ở 300 vòng/phút trong 1 phút và để lắng trong 10 phút Hiệu quả loại bỏ sinh khối S.obliquus, Chlorella, C sorokiniana, Chlorococcum sp cao nhất của muối sắt (FeCl3 và Fe2(SO4)3) đạt được là 66 – 98% khi ở nồng độ 150 – 250 mg/L Với nồng độ muối sắt thấp hơn 50 mg/L hiệu quả loại bỏ tảo thấp Khi thêm các chất keo tụ thường làm giảm pH từ 10 – 10,5 xuống

3 – 3,7 ở nồng độ muối sắt 250 mg/L Bên cạnh đấy, hiệu quả keo tụ giảm khi sử dụng nồng độ polyme keo tụ quá liều Trong thí nghiệm với Chitosan, mặc dù Chitosan có hiệu quả keo tụ tốt nhất trong việc loại bỏ các vi tảo thường được ghi nhận ở mức nồng độ 25 mg/L, tuy nhiên kết quả đạt được trong các thí nghiệm này thấp hơn so với các lần trước, cụ thể hiệu quả loại bỏ dưới 40% đối với C sorokiniana, Chlorococcum sp và S obliquus, và chỉ đạt 58 ± 8% đối với Chlorella Consortium Kết quả thấp này có thể do các hạt keo hữu cơ tương tác với Chitosan Thí nghiệm với Chitosan với nồng độ từ 50 – 250 mg/L không thấy làm tăng khả năng loại bỏ sinh khối vi tảo pH giảm xuống 3,7 khi tăng liều lượng Chitosan do xuất hiện axit acetic Chitosan trong nghiên cứu của Sukenic et al (1988) và Buelna

et al (1990) tối ưu ở nồng độ 10 và 20 mg/L Sử dụng chất keo tụ polyacrylamide như Flocusol CM-78, Drewfloc 447, Chemifloc CV-300 và Flocudex CS-5000 với nồng độ thấp (5 – 50 mg/L) là cần thiết để loại bỏ hầu hết sinh khối vi tảo Đối với

S obliquus, Chlorococcum sp và C sorokinianabiomass thì polyme Flocusol

CM-78 tối ưu ở nồng độ 50 mg/L, đạt hiệu suất 83–92% Đối với Chlorellaconsortium thì nồng độ polyme tối ưu là 100 mg/L, hiệu suất loại bỏ sinh khối đạt 94% Khả năng loại bỏ sinh khối tối ưu của Chmifloc CV/300 là 84 - 91% khi ở nồng độ 25 mg/L Flocudex CS-5000 đạt hiệu suất 74 - 90% ở 25 mg/L Cũng giống Chitosan,

khi tăng nồng độ chất keo tụ cũng làm giảm hiệu suất keo tụ do hình thành các lực đẩy Tóm lại, trong việc loại bỏ sinh khối tảo, các polyme thương mại được sử dụng

ở nồng độ thấp hơn so với các chất keo tụ của muối sắt [18]

- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý sinh học:

Trong nghiên cứu của Ancheng Luo và cộng sự (2002), khi thay đổi chế độ sục khí từ 0 – 0,667 L/ph liên tục, T-N và NH4+-N giảm tương ứng 24 và 32,3% (với đầu vào T-N là 2,88 g/l) Sục khí không liên tục (tắt bật sau 2 giờ) đạt được khoảng 50% hiệu quả loại bỏ T-N và NH4+-N như sục khí liên tục [13]

Liên quan đến chế độ sục khí là chỉ số ôxy hòa tan (DO) Chỉ số DO đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nitơ Không cung cấp đủ oxy làm giảm khả năng loại bỏ NH3-N Trong hệ MBR: Hiệu suất loại bỏ NH3-N giảm xuống còn 92,8% khi nồng độ DO giảm còn 1,0 mg/L DO nên duy trì trên 2 mg/L ở bể hiếu khí để hệ MBR hoạt động ổn định

Theo nghiên cứu của H Kim và cộng sự (2005), nhiệt độ trong bể phản ứng sinh học trong mùa hè thường tăng lên khoảng 50oC do một lượng lớn nhiệt thoát ra

từ phản ứng sinh học trong chất hữu cơ nên cần phải làm giảm xuống 35oC để tránh

ức chế quá trình nitrat hóa Theo đó cần phải kiểm soát nhiệt độ để có được phản ứng nitrat hoàn toàn mà không cần thiết bị làm mát Kiểm soát nồng độ MLSS ở bể sinh học được lựa chọn như là một giải pháp, kết quả là nhiệt độ ở bể sinh học trong mùa

hè được duy trì thấp hơn 40oC Khi nhiệt độ ở bể sinh học được kiểm soát, tốc độ nitrat đạt khoảng 99,5% Kết quả này có thể giải thích hoặc do vi khuẩn nitrifying được duy trì ở bể sinh học hoặc do thời gian lưu dài và sự tăng nhiệt độ [18]

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nước thải chăn nuôi lợn tại xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội được lấy sau lúc rửa chuồng, bao gồm: nước rửa chuồng trại, phân và nước tiểu của lợn Mẫu nước thải được loại bỏ cặn thô, vật nổi, thức ăn thừa đem

về phòng thí nghiệm;

- Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với màng lọc vi lọc polyme;

- Hóa chất keo tụ: phèn sắt Fe2(SO4)3, phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O

2.2 Phương pha ́ p nghiên cứu

2.2.1 Phương pha ́ p thu thập xử lý số liê ̣u

Đã thu thập, kế thừa các tài liệu, số liệu, nguồn thông tin liên quan từ nhiều nguồn khác nhau: sách; các bài báo khoa học trong các tạp chí; luận văn… từ thư viện và các nguồn tài liệu từ internet

2.2.2 Phương pha ́ p phân tích đánh giá

Để khảo sát các yếu tố liên quan đến nội dung nghiên cứu, đã tiến hành các nhóm phân tích đánh giá như sau:

Bảng 2.1 Phương pháp phân tích đánh giá

STT Chỉ tiêu Thiết bị phân tích Tiêu chuẩn

STT Chỉ tiêu Thiết bị phân tích Tiêu chuẩn

6 N-tổng Thiết bị cất nitơ VELD –

Scientifica (UDK142) TCVN 6835 – 2011

Thiết bị chuẩn độ TCVN 6491:1999

9 Độ đục Máy đo độ đục HANNA HI93703 TCVN 6184:1996

10 TSS Giấy cân, bộ lọc, cân phân tích, tủ

2.3 Phương pha ́ p thực nghiê ̣m

2.3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền xử lý nước thải chăn nuôi

 Thí nhiệm 1: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn sắt

Thí nghiệm được tiến hành với 1 lít nước thải lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, lọc sơ bộ, loại bỏ những cặn lớn bằng rây kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 200 mg/L Điều chỉnh pH của hỗn hợp nước thải trong khoảng 5 - 9, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng 60 phút Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, TSS, COD, độ đục, độ màu, NH4+-N để đánh giá hiệu quả

xử lý, từ đó tìm ra khoảng pH tối ưu [10,20]

 Thí nhiệm 2: Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt

Thí nghiệm được tiến hành với 1 lít nước thải lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, lọc sơ bộ, loại bỏ những cặn lớn bằng rây kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất

keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ thay đổi từ 400 đến 1200 mg/L Điều chỉnh

pH tối ưu thu được từ thí nghiệm 1, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy

chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng 60 phút Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, TSS, COD, độ đục, độ màu, PO43--P để đánh giá hiệu quả xử lý [10,20]

2.3.2 Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme

2.3.2.1 Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme

Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với

màng vi lọc polyme được bố trí như trên Hình 2.1:

Hình 2.1 Mô hình bố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý

1-Bể đầu vào (10L); 2-Cột yếm khí (8,5L); 3-Cột thiếu khí (8,5L); 4-Bể hiếu khí kết

hợp lọc màng (13L); 5-Bể đầu ra (10L)

Thuyết minh mô hình xử lý

Hê ̣ thống các thiết bị xử lý gồm: bể đầu vào, bể yếm khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí và bể chứa Nước thải được lo ̣c sơ bô ̣ , loại bỏ những loại cặn lớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ trước khi dẫn vào bể số 1 Nước thải được bơm từ bể đầu sang cột yếm khí (số 2), tiếp tu ̣c tự chảy qua cột thiếu khí (số 3), sau đó nước thải đươ ̣c đưa vào xử lý trong bể hiếu khí (số 4)

Màng lọc được đặt trong bể hiếu khí, nhờ bơm áp lực nước thải hút qua màng tách thành 2 dòng, 1 dòng chảy tuần hoàn về cột thiếu khí, dòng còn lại là nước đầu ra sau xử lý sinh học

 Bể đầu vào

Nước thải chăn nuôi thải ra từ các công đoạn rửa chuồng, theo đường mương dẫn chảy về khu xử lý và đi vào bể chứa củ a các hố chăn nuôi Tại đây nước thải đươ ̣c tách các că ̣n thô, tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ Nước thải sau keo tụ dẫn vào bể yếm khí bằng bơm định lượng Tại bể đầu vào được gắn 1 máy khuấy có tác dụng khuấy trộn đề u nước thải đầu vào , duy trì nước thải đầu vào ổn đi ̣nh , không bi ̣ lắng cu ̣c bô ̣

 Bể yếm khí

- Bể yếm khí đươ ̣c thiết kế như trên Hình 2.2a bằng vâ ̣t liê ̣u PVC hình tru ̣ với

thể tích là 8,5 lít

Hình 2.2 Cấu tạo bể yếm khí, thiếu khí

- Bể yếm khí đươ ̣c thiế t kế cho dòng nước thải đi vào từ đáy cô ̣t và đi ra phía trên của cô ̣t Tại đây nước thải sẽ được phân phối đều trên diện tích bể Nhờ hỗn hợp bùn yếm khí trong bể mà các chất hữu cơ hoà tan trong nước được hấp thụ,

phân huỷ và chuyển hoá thành khí (khoảng 70- 80 % là CH4, 20-30% là CO2) Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn nổi lên trên làm xáo trộn gây ra dòng tuần hoàn cục

bộ trong lớp cặn lơ lửng

 Bể thiếu khí

- Bể t hiếu khí đươ ̣c thiết kế như trên Hình 2.2b bằng vâ ̣t liê ̣u PVC hình tru ̣ với thể tích là 8,5 lít Bể thiếu khí số 3 được thiết kế cho nước thải đi từ đáy cô ̣t lên , bên trong chứa giá thể vi sinh Giá thể vi sinh có tác dụng tă ng diê ̣n tích tiếp xúc giữa nước thải và vi sinh, phân phối đều dòng nước thải trong cô ̣t

- Quá trình thiếu khí:

a) Giá thể vi sinh b) Bể thiếu khí

Hình 2.3 Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí

 Bể hiếu khí

- Bể hiếu khí tổng thể tích nước hữu dụng 13L, làm bằng nhựa PVC , thiết kế như trên Hình 2.4