Nghiên cứu xử lý đồng thời các thành phần hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên

Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí..... Hồ Chí Minh Hình 3: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N Hình 4: Cấu trúc 1 hạt bùn hoạt tính chứa vùng thiếu khí và hiếu kh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN ĐỖ HÙNG

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện được luận văn tốt nghiệp ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xinbày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo khoa Môi trường,Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm vàtận tình truyền đạt những những kiến thức cho tôi trong thời gian học tập tại trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phan Đỗ Hùng, thầy hướng dẫntrực tiếp luận văn, đồng thời cũng là trưởng phòng của tôi Thầy đã tận tìnhhướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiệnluận văn thạc sỹ này

Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm, Lãnh đạophòng Công nghệ xử lý nước và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡcho tôi được hoàn thành khóa học và luận văn này

Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới gia đình những ngườiquan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh thần lớn giúp tôi hoàn thành tốtnhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và làm Luận văn vừa qua

Hà nội, tháng 11 năm 2013

Học viênTrần Thị Thu Lan

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN 10

1.1 Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam 10

1.1.2 Hiện trạng về chăn nuôi lợn tại Việt Nam 10

1.1.2 Định hướng và triển vọng phát triển chăn nuôi lợn ở Việt Nam 12

1.2 Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý 13

1.2.1 Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn 13

1.2.2 Hiện trạng quản lý và xử lý 15

1.3 Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn. 16

1.3.1 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý 17

1.3.2 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí. 17

1.3.3 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí 23

1.3.4 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải 25

1.3.5 Một số quy trình cơ bản ứng dụng xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học 29

1.4 Giới thiệu sơ lược về phương pháp sục khí luân phiên 31

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 32

1.5.1 Trong nước 32

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Đối tượng nghiên cứu 36

2.1.1 Nước thải 36

2.1.2 Hệ thiết bị thí nghiệm sục khí luân phiên 36

2.2 Phương pháp nghiên cứu 37

2.2.1 Phương pháp khảo sát hiện trường: 37

2.2.2 Phương pháp phân tích 37

2

2.2.3 Các chế độ thí nghiệm và qui trình vận hành 38

2.2.4 Phương pháp tính toán 41

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả khảo sát hiện trường 42

3.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 49

3.2.1 Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí luân phiên đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ, nitơ, SS và photpho 49

a Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí luân phiên đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ 49

b Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu quả xử lý Nitơ 50

c Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu quả xử lý SS 53

d Ảnh hưởng của chu kỳ sục khí – ngừng sục khí đến hiệu quả xử lý photpho 54 3.2.2 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ, nitơ, photpho đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ, nitơ, photpho 55

a Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ 55

b Ảnh hưởng của tải trọng Nitơ đến hiệu suất xử lý Nitơ 56

c Ảnh hưởng của tải trọng photpho đến hiệu suất xử lý photpho 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 64

Bảng 1: Các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn Bảng 2: Chất lượng nước thải lợn điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung Bảng 3: Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas

Bảng 4: Nồng độ NH 4 + và NO 2

Bảng 5: Thành phần của nước thải chăn nuôi lợn sau biogas

Bảng 6: Bảng kết quả phân tích nước của một số trang trại chăn nuôi lợn Bảng 7: Các chế độ vận hành thí nghiệm

4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Tốc độ tăng trưởng đàn lợn trên toàn quốc lần lượt tính từ năm 2006- 2010

12

Hình 2: mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại

một số huyên thuộc TP Hồ Chí Minh

Hình 3: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N

Hình 4: Cấu trúc 1 hạt bùn hoạt tính chứa vùng thiếu khí và hiếu khí

Hình 5: Một số quy trình công nghệ xử lý nitơ trong nước thải

Hình 6: Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm

Hình 7: Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn đang áp dụng tại các trang

Hình 10: Hiệu quả xử lý T-N ở các chế độ khác nhau

Hình 11: Quá trình chuyển hóa nitrat

Hình 12: SS vào, ra và hiệu quả xử lý ở các chế độ khác nhau

Hình 13: T-P vào, ra và hiệu quả xử lý ở các chế độ khác nhau

Hình 14: Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD

Hình 15: Ảnh hưởng của tải lượng N đến hiệu suất xử lý T-N

Hình 16: Ảnh hưởng của tải lượng P đến hiệu suất xử lý T-P

(Đơn vị con)

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Chăn nuôi là một trong hai lĩnh vực quan trọng trong nền nông nghiệp(chăn nuôi, trồng trọt), nó không những đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùnghàng ngày của mọi người dân trong xã hội mà còn là nguồn thu nhập quan trọngcủa hàng triệu người dân hiện nay Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quantrọng đối với nước ta khi có tới hơn 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp [1]

Theo kết quả điều tra 1/10/2013 của Tổng cục Thống kê, cả nước hiện có 26,3triệu con lợn bằng 99,1%; đàn lợn nái có 3,9 triệu con bằng 98% so với cùng kỳ nămtrước Sản lượng thịt hơi xuất chuồng đạt 3,3 triệu tấn tăng 2,1% so với cùng kỳnăm trước Trong những tháng đầu năm do giá thịt lợn hơi giảm, chi phí con giống

và thức ăn tăng nên người chăn nuôi đã hạn chế đầu tư mở rộng đàn

Lĩnh vực chăn nuôi nước ta đang phát triển nhanh chóng và tăng dần tỷtrọng trong ngành nông nghiệp Năm 2009, Việt Nam đã vươn lên đứng thứ 2Châu Á sau Trung Quốc về sản lượng thịt lợn [3] Trên thế giới chăn nuôi hiệnchiếm khoảng 70% đất nông nghiệp và 30% tổng diện tích đất tự nhiên (không kểdiện tích bị băng bao phủ) Chăn nuôi đóng góp khoảng 40% tổng GDP nôngnghiệp toàn cầu, giải quyết việc làm cho 1,3 tỉ dân [1]

Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp tích cực cho sự phát triển kinh tế - xãhội, việc phát triển chăn nuôi lợn đã để lại những tác động tiêu cực đến môitrường, làm suy thoái chất lượng đất, chất lượng nước và không khí xung quanhcác khu vực nuôi lợn Nguyên nhân là do ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi lợn,

cụ thể ; phân, nước tiểu và nước rửa chuồng trại Sản lượng thịt lợn cung cấp rathị trường ngày càng tăng tỷ lệ thuận với lượng chất thải ra môi trường

Chất thải chăn nuôi lợn đã gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh, đến sức khỏe con người và đặc biệt đóng góp một phần lớn khí gây hiệu ứngnhà kính, biến đổi khí hậu Ngoài chất thải rắn và chất thải lỏng, chăn nuôi hiệnđóng góp khoảng 18% hiệu ứng nóng lên của trái đất (global warming) do thải racác khí gây hiệu ứng nhà kính Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương Thế giới

(FAO), chất thải của gia súc toàn cầu tạo ra 65% lượng Nitơ oxit (N2O) trong khíquyển Đây là loại khí có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời cao gấp 296 lần

so với khí CO2 Động vật nuôi còn thải ra 9% lượng khí CO2 toàn cầu, 37% lượngkhí Methane (CH4) – loại khí có khả năng giữ nhiệt cao gấp 21 lần khí CO2 Chănnuôi gia súc đóng góp tới 64% lượng khí Amoniac (NH3) – là thủ phạm củanhững trận mưa axit Điều này có nghĩa là chăn nuôi gia súc, gia cầm đã đượckhẳng định là một tác nhân chính làm tăng hiệu ứng nhà kính Ngoài ra nhu cầu

về thức ăn, nước uống, tập tính bầy đàn, nhu cầu về bãi chăn thả v.v… của giasúc cũng đang được coi là một trong những tác nhân chính gây thoái hóa đấtnông nghiệp, ô nhiễm nguồn nước và mất cân bằng hệ sinh thái [5]

ngành nông nghiệp Cùng với sự gia tăng dân số, gia tăng các nhu cầu về lươngthực, thực phẩm, ngành chăn nuôi càng được đầu tư phát triển mạnh Trước đây,chúng ta chỉ có chăn nuôi nhỏ lẻ tại các hộ gia đình Hiện nay, trong bối cảnh thức ănchăn nuôi, vật tư chăn nuôi đều tăng, cùng với đó là sức cạnh tranh, vấn đề kiểmsoát dịch bệnh nên việc chăn nuôi trong các hộ gia đình có xu hướng giảm trong khichăn nuôi gia trại, trang trại tăng nhanh và tạo được khả năng cạnh tranh trên thịtrường Do vậy, vấn đề chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi lợn cần phảiđược quản lý tốt Chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn với thành phần chủ yếu làphân lợn và nước thải hiện đang là vấn đề lo lắng của các nhà quản lý Nước thải(phân, nước) có độ ô nhiễm rất cao do (COD, BOD, Nitơ, Amoni và VK gâybệnh) Việc sử dụng bể Biogas tại các trại chăn nuôi thuận tiện cho sử dụng chất thải

và khai thác nguồn năng lượng nhưng nước thải sau bể Biogas vẫn còn nhiều chấtgây ô nhiễm môi trường cần được xử lý trước khi thải vào môi trường

Từ đặc tính nước thải ngành chăn nuôi và thực tế các công nghệ đã áp dụng để

xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau quá trình biogas, công nghệ sục khí luân phiên (các quá trình xử lý chất hữu cơ và nitơ được thực hiện trong một bể là quá trình cải tiến của hệ SBR) dễ dàng đáp ứng các yêu cầu của xử lý nước thải chăn nuôi Trong khuôn khổ

Luận văn thạc sĩ ngành Khoa học, đề tài “Nghiên cứu xử lý đồng thời

8

các thành phần hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên” được thực hiện nhằm mục đích tìm ra khả

năng ứng dụng của phương pháp trong nỗ lực đảm bảo nước thải sau xử lý

đạt quy chuẩn môi trường, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Mục đích nghiên cứu

Nước thải chăn nuôi lợn xử lý qua bể biogas vẫn còn độ ô nhiễm cao về chấthữu cơ và nitơ Mục đích của nghiên cứu là đưa ra chế độ thích hợp cho công nghệ

xử lý sục khí luân phiên để xử lý nước thải chăn nuôi sau quá trình xử lý biogas

Nội dung nghiên cứu của đề tài là:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí tới hiệu suất loại COD, Nitơ

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng tới hiệu suất loại COD, Nitơ

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN

1.1 Tình hình chăn nuôi lợn ở Việt Nam

1.1.2 Hiện trạng về chăn nuôi lợn tại Việt Nam

Hiện cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình, 18.000 trang trạichăn nuôi tập trung, nhưng mới chỉ có 8,7% số hộ xây dựng công trình khí sinhhọc (hầm biogas) Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũngchỉ chiếm 10% và chỉ có 0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường Vẫn cònkhoảng 23% số hộ chăn nuôi không xử lý chất thải bằng bất kỳ phương phápnào mà xả thẳng ra môi trường bên ngoài…gây sức ép đến môi trường

Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường và sức khỏe con người trênnhiều khía cạnh: Gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môitrường đất và các sản phẩm nông nghiệp Đây chính là nguyên nhân gây ranhiều căn bệnh về hô hấp, tiêu hóa, do trong chất thải chứa nhiều vi sinh vật gâybệnh Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã cảnh báo, nếu không có biện pháp thu gom

và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sứckhỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt làcác virus biến thể từ các dịch bệnh như: lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ởlợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người.Theo Báo cáo tổng kết của Viện Chăn nuôi (Bộ NN&PTNT), nồng độ khí H2S vàNH3 trong chất thải chăn nuôi cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần Tổng số

vi sinh vật và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra,nước thải chăn nuôi còn chứa Coliform, E.coli, COD và trứng giun sán caohơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép

Các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long là những địa phương có ngành chăn nuôi phát triển Tại tỉnh Bến Tre, tính đến thời điểm tháng 6/2013 đã có đàn lợn trên 424.000 con, đàn bò gần 148.000 con, là địa phương có đàn gia súc đứng đầu khu vực đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, việc đảm bảo vệ sinh môi trường ở đây mới chỉ chú trọng ở các doanh nghiệp chăn nuôi, còn các

10

hộ chăn nuôi nhỏ chưa được quan tâm Trong khi, các hộ chăn nuôi nhỏ chiếm

tỷ lệ khá lớn, nhưng việc chăn nuôi của các hộ dân phần lớn theo tập quán, thóiquen xả chất thải xuống kênh, rạch dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường, tăngnguy cơ dịch bệnh cho vật nuôi, con người và ảnh hưởng lớn đến sự phát triểnbền vững của ngành Chăn nuôi

Theo dự báo của ngành Tài nguyên và Môi trường (TN&MT), với tốc độ pháttriển mạnh của ngành Chăn nuôi như hiện nay dự tính đến năm 2020, lượngchất thải rắn trong chăn nuôi phát sinh khoảng gần 1.212.000 tấn/năm, tăng14,05% so với năm 2010 Để phát triển bền vững và đảm bảo môi trường tạicác trang trại, gia trại, các địa phương cần quan tâm hơn nữa đến việc tạo điềukiện, hỗ trợ các hộ chăn nuôi quy mô lớn đầu tư xây dựng mô hình xử lý chấtthải theo công nghệ hiện đại Ngành TN&MT chủ động phối hợp với ngànhNN&PTNT tăng cường kiểm tra, xử lý, đình chỉ sản xuất đối với các trang trạigây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng; đôn đốc các trang trại, gia trại gây ô nhiễmmôi trường, thực hiện các biện pháp xử lý triệt để tình trạng ô nhiễm; yêu cầu cáctrang trại phải có đầy đủ công trình, biện pháp bảo vệ môi trường đáp ứng yêucầu về xử lý ô nhiễm; khẩn trương quy hoạch vùng chăn nuôi cho từng loại vậtnuôi, từng bước hạn chế, không cho phép chăn nuôi gia trại, chăn nuôi quy mônhỏ trong khu dân cư; triển khai ứng dụng mô hình xử lý nước thải sau bểbiogas, làm cơ sở hướng dẫn, nhân rộng áp dụng cho các trang trại chăn nuôi

Tính đến giữa năm 2010 cả nước có 23.558 trang trại chăn nuôi (tăng42% so với năm 2006) Quy mô đàn lợn tăng nhanh từ 26,85 triệu con năm

2006 lên 27,37 triệu con năm 2010 Định hướng phát triển đến năm 2020 cơbản chuyển sang trang trại, công nghiệp

27,370,000

26,855,330

26,701,598 26,560,651

Nguồn: Website Tổng cục thống kê - 31/12/2010) Hình 1 Tốc độ tăng trưởng đàn lợn trên toàn quốc lần lượt tính từ năm 2006- 2010

(Đơn vị con)

1.1.2 Định hướng và triển vọng phát triển chăn nuôi lợn ở Việt Nam

Tốc độ tăng dân số và quá trình đô thị hóa đã làm giảm diện tích đất nôngnghiệp Để đảm bảo an toàn về lương thực và thực phẩm, biện pháp duy nhất làthâm canh chăn nuôi trong đó chăn nuôi lợn là một thành phần quan trọng trongđịnh hướng phát triển

Theo quyết định số 10/2008/QĐ - TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 củaThủ tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm

2020 thì định hướng phát triển như sau:

+ Đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phươngthức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chấtlượng cho tiêu dùng và xuất khẩu;

+ Tỷ trọng chăn nuôi trong nông nghiệp đến năm 2020 đạt trên 42%, trong đó năm 2010 đạt khoảng 32% và năm 2015 đạt 38%;

+ Đảm bảo an toàn dịch bệnh và vệ sinh an toàn thực phẩm, khống chế có hiệu quả các bệnh nguy hiểm trong chăn nuôi;

12

+ Các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phương thức trang trại,công nghiệp và cơ sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử lýchất thải, bảo vệ và giảm ô nhiễm môi trường.

+ Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2008 - 2010 đạt khoảng 8 - 9%năm; giai đoạn 2010 - 2015 đạt khoảng 6 - 7% năm và giai đoạn 2015 - 2020đạt khoảng 5 - 6% năm

1.2 Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý

1.2.1 Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn

Nước thải chăn nuôi lợn là một trong những loại nước thải có khả năng gây

ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P

và sinh vật gây bệnh cao Nước thải chăn nuôi, nhất thiết phải được xử lýtrước khi thải ra ngoài môi trường

Tổng N và P: Khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém,

nên khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và

nước tiểu Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rấtcao Hàm lượng N - tổng trong nước thải chăn nuôi lợn 200 - 350 mg/l, trong

đó N - NH4 chiếm khoảng 80 - 90% Photpho từ 60 - 100 mg/l

Vi sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, vi

khuẩn ecoli, vi khuvirus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh

Nước thải trong chăn nuôi lợn (nước tiểu vật nuôi, nước tắm, nước rửa

chuồng, vệ sinh dụng cụ, ) ước tính khoảng và chục nghìn tỷ m3/năm

Nước thải chăn nuôi là một trong những loại nước thải có nồng độ ô nhiễmcao, đặc biệt là BOD, COD, nitơ, photpho và sinh vật gây bệnh Các thông số ô nhiễmđặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1: Các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn

Thông số

pHBOD5CODSS

N tổng

P tổng

Coliformml

(Nguồn: Điều tra đánh giá hiện trạng MT trại chăn nuôi lợn – Viện Chăn nuôi,

2006).

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 trưngcủa nước thải chăn nuôi:

Bảng 2: Chất lượng nước thải lợn điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung

kiểm tra

14

Chỉ tiêu Đơn vịkiểm tra

Đây là loại chất thải ít được sử dụng và khó quản lý do:

Lượng nước thải lớn, lượng nước sử dụng cho nhu cầu uống, rửa

chuồng và tắm cho lợn là 30 - 50 lít nước/1con/ngày đêm

Nước thải có mùi hôi thối, khó vận chuyển đi xa để sử dụng cho các mục

đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản;

Lượng nước thải quá lớn, không thể sử dụng hết cho diện tích đất canh

tác xung quanh

Việc quản lý nước thải trong chăn nuôi lợn là vấn đề nan giải, nước thải chăn

nuôi lợn chứa chất hữu cơ và nitơ cao Lưu lượng nước thải khá cao do số lượng

lợn nuôi nhiều và lợn được tắm nhiều lần trong ngày, nhất là lúc trời nóng (lưu

ợng nước sử dụng đối với lợn trưởng 30 - 50 lít/1 con/ngày)

Tíi c©y 15%

Biogas 40%

Xö lý s¬ bé, th¶i ra MT

45%

Hình 2: mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra

tại một số huyên thuộc TP Hồ Chí Minh

Theo điều tra tình hình quản lý nước thải chăn nuôi ở một số huyện thuộc

TP HCM và một số tỉnh lân cận cho thấy: Nước thải dùng cho mục đích nôngnghiệp (15%) Đối với các trang trại không có đất trồng trọt thì nước thải phầnlớn chỉ xử lý sơ bộ sau đó thải ra môi trường (45%) Có khoảng 40% số trangtrại sử dụng bể Biogas để xử lý nước thải (Hình 2)

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: nước thảicủa các cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, mánguống và nước tắm rửa cho lợn Cả 10 cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra đều

có chỉ có hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas Kết quả điều tracủa cho thấy hệ thống xử lý nước thải tại các trang trại trên là: Nước thải bểBiogas hồ sinh học thải ra môi trường, hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn kháccũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên

Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khókhăn Nhu cầu sử dụng chất thải chăn nuôi lợn trong nông nghiệp còn rất thấp Vìvậy cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải quyết vấn đề quản lý và khắcphục sự ô nhiễm môi trường do một lượng chất thải chăn nuôi gây ra

1.3 Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn.

Nước thải chăn nuôi lợn được xác định là loại nước thải dễ phân hủy sinhhọc vì chứa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy như cacbon hidrat Xử

lý nước thải chăn nuôi lợn bằng biện pháp sinh học là phổ biến ở hầu hết các trạichăn nuôi công nghiệp nhờ tính khả thi và tính kinh tế cao của nó Bên cạnh đó,phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác

ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao đối với các loại nước thải chứa các chấthữu cơ dễ phân hủy sinh học

16

1.3.1 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý

1.3.1.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý

Mục đích của phương pháp này là: sau khi xử lý cơ học, nước thải chănnuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ và vô cơ dưới dạng các hạt có kích thước nhỏ, khólắng, khó có thể tách ra được bằng các phương pháp cơ học vì tốn nhiều thời gian

và hiệu quả không cao Nhưng có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏchúng Các chất kẹo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn kết hợpvới sử dụng polymer trợ keo tụ để tăng hiệu quả quá trình keo tụ

Trong nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) với nước thải chăn nuôilợn: Phương pháp cơ học và keo tụ có thể tách được 80 - 90% hàm lượng cặn trong

nước thải chăn nuôi lợn Tuy nhiên, phương pháp hóa lý này đòi hỏi chi phí, kỹ

thuật cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi Ngoài ra, tuyển nổi cũng là mộtphương pháp để loại cặn trong nước thải chăn nuôi lợn, nhưng chi phí đầu tư và vậnhành cao vì vậy, không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi

1.3.2 Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí.

1.3.2.1 Ưu và nhược điểm phương pháp sinh học kỵ khí

Quá trình xử lý sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơthành những sản phẩm cuối cùng là CH4 và CO2 nhờ vi sinh vật trong điều kiệnkhông có ôxy Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trìnhsinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗiphản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt

Vào những năm 1970 quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng rông rãitrong xử lý bùn và thải phân, sau đó phương pháp này được áp dụng cho xử lýnước thải nhờ có những ưu điểm sau:

- Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí;

- Thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước Một lượng sinh khối lớn được giữ lại trong bể;

- Tốc độ phát triển sinh khối chậm;

Trong công nghệ kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:

+ Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt;

+ Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải và sinh khối vi khuẩn

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phứctạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng đượcxúc tác bởi những enzym đặc biệt

1.3.2.2 Bể Biogas

Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, chi phí đầu tư thấp, thường thấy ở hầu hết các cơ sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình Nước thải từ hệ thống chuồng trại được dẫn trực tiếp vào bể kín với thời gian lưu

18

nước trong bể khoảng 15 - 30 ngày, tận dụng hoạt động của các vi sinh vật kỵ khítrong bể và trong lớp bùn đáy để khoáng hóa các chất hữu cơ Mực nước trong

bể, thông thường được thiết kế chiếm 2/3 chiều cao bể, còn 1/3 chiều cao ở phíatrên bể bị khí CH4, CO2 và các khí khác sinh ra do phân hủy kỵ khí chiếm chỗ Phíatrên có đặt hệ thống thu khí để thu hồi các khí sinh ra (Biogas) tận dụng làm khíđốt hoặc chạy máy phát điện dưới cùng là lớp bùn đáy tương đối ổn định

Ưu điểm của bể Biogas là có thể sản xuất được nguồn năng lượng khísinh học để thay thế được một phần các nguồn năng lượng khác

Bảng 3: Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas

Thông sốTT

19

Nhận xét: Nước thải sau xử lý Biogas ở đây cũng có các chỉ tiêu ô nhiễm

đặc trưng của nước thải chăn nuôi, thể hiện qua các chỉ tiêu TSS, COD, BOD, ∑N,

∑P và cần tiếp tục xử lý trước khi có thể thải ra môi trường

1.3.2.3 Hồ kỵ khí

Chiều sâu hồ khoảng 3 - 5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ cácbọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác như gió, chuyểnđộng đối lưu Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu và tảilượng chất hữu cơ, tải trọng BOD của hồ kỵ khí tương đối cao, từ 200 - 500 kgBOD/ha.ngày Hiệu quả khử BOD từ 50 - 85% Hàm lượng chất lơ lửng khi rakhỏi hồ 80 - 160 mg/l

1.3.2.4 Quá trình lọc sinh học kỵ khí

Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh như sỏi, đá,vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vòng sứ, xơ dừa để xử lý nước thải trong điềukiện không có oxy Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hướng lên hoặc dòng chảy ngang.Nước thải đi qua và tiếp xúc với toàn bộ lớp vật liệu lọc Sinh khối dính bám trên

bề mặt lớp vật liệu lọc cố định do đó sinh khối được giữ lại trong bể với thờigian lâu hơn thời gian lưu nước (thời gian lưu nước là 8h, thời gian lưu bùn cóthể lên đến 100 ngày)

Ưu điểm của quy trình này là:

- Đơn giản trong vận hành;

- Khả năng chịu được biến động lớn về tải lượng ô nhiễm;

- Có thể vận hành ở tải trọng cao;

- Không phải kiểm soát lượng bùn nổi như trong bể UASB;

- Có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phân hủy chậm;

- Thời gian lưu bùn rất cao (khoảng 100 ngày)

Tuy nhiên quá trình lọc sinh học kỵ khí bên cạnh có những ưu điểm

ngoài ra còn có nhược điểm là không điều khiển được sinh khối của bểnày

Sử dụng quá trình màng vi sinh vật kỵ khí cũng như hiếu khí để xử lý nướcthải chăn nuôi, ngoài việc loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, còn có thể loại bỏ đượcmột lượng lớn các chất rắn lơ lửng, trứng giun sán kể cả các loài vi trùng, vikhuẩn gây bệnh nhờ cơ chế hấp phụ Vì khi sinh khối của màng tăng lên (tứclớp màng càng dầy hơn) dần dần bịt các khe giữa các vật liệu lọc, giữ lại các tạpchất, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua màngchậm dần, khi đó màng sẽ làm việc có hiệu quả hơn.

Tuy nhiên khi xử lý nước thải chăn nuôi bằng quá trình lọc sinh học, cần lưu

ý sự tích lũy cặn trong lớp lọc vì hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi

khá lớn Sự tích tụ cặn quá nhiều sẽ làm tắc lớp vật liệu lọc tạo ra các vùng chết,hoặc nếu xảy ra hiện tượng “đánh thủng lớp lọc” sẽ làm cho dòng chảy ngắn vànước thải phân bố không đều Cả hai trường hợp đều làm giảm thời gian lưunước trong bể dẫn đến hiệu quả xử lý kém Đồng thời sự phân hủy của căn tíchlũy sẽ làm COD đầu ra tăng sau một thời gian vận hành Để khắc phục, nên loại

bỏ bớt cặn lơ lửng trước khi vào bể lọc đồng thời rửa ngược lớp lọc định kỳ đểloại bỏ cặn tích lũy trong lớp cặn

1.3.2.5 Quá trình kỵ khí trong UASB

Hệ thống này được nghiên cứu và ứng dụng bởi Gatze Lettinga và các cộng

sự của trường đại học Wageningen ở Hà Lan từ những năm 1970, nó thích hợpcho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ từ thấp tới cao tại các vùngnhiệt đới Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trongnước thải và sinh ra một lượng khí Biogas đáng kể

Đây là quá trình xử lý sinh học kỵ khí ngược dòng Nước thải được đưa từdưới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng hạt Quá trình sinh hóa diễn ra khi nướcthải tiếp xúc với lớp hạt bùn này Một phần khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí(CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính các bông bùn và kéo các bông bùn lên lơlửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước Khi lên đến đỉnh các bọtkhí sẽ va chạm với các tấm chắn nghiêng hình nón, các bọt khí được giái phóng tự docòn bùn được rơi xuống theo trọng lực Tấm chắn được đặt nghiêng

21

trong vùng tách pha để tăng tiết diện, tiết diện dòng chảy tăng do đó làm giảm tốc

độ lắng của pha rắn tại vùng này, bùn được tích tụ trên bề mặt tấm chắn nghiêng khi

đủ lớn tách ra và rơi xuống vùng lắng

+ Ưu điểm của quá trình này là:

- Hệ thống UASB có ưu điểm nổi bật là khả năng chịu tải trọng COD lớn và

có chịu được sự thay đổi đột ngột COD trong nước thải

so với bùn hoạt tính hiếu khí ở dạng lơ lửng Lượng bùn sinh ra trong quá trình xử

lý UASB chỉ bằng khoảng 1/5 so với phương pháp hiếu khí [15,16,19]

- Cả ba quá trình: phân hủy, lắng bùn, tách khí được xây dựng, lắp đặt trongcùng một công trình và có khả năng thu hồi khí Metan;

- Tốn ít năng lượng cho quá trình vận hành, lượng bùn dư ít nên giảm chi phí xử lý bùn, bùn sinh ra sau hệ thống dễ tách nước

- Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động trở lại sau một thời gian ngưng nạp nhiên liệu

+ Nhược điểm của quá trình: Khó khăn khi kiểm soát hiện tượng bùn nổi,tức là phải đảm bảo sự tiếp xúc tốt nhất giữa bùn và nước thải để duy trì hiệuquả xử lý của bể

1.3.2.6 Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed):

Một trong những yếu tố quan trọng của hệ UASB là dạng tập hợp sinh khối,sinh khối keo tụ thành hạt bùn: kích thước 1 - 5mm, khối lượng riêng lớn, độ bền

cơ học cao, tốc độ sa lắng lớn và hoạt tính metan hóa cao Một hệ UASB thôngthường không có khả năng tạo ra các hạt bùn có tính chất như trên mặc dù cóhiệu quả xử lý cao, chứng tỏ chúng không phải là điều kiện tiên quyết cho hiệuquả xử lý của hệ, chính từ quan điểm trên người ta đã biến thế hệ UASB thành

hệ EGSB Năm 1983 Lettinga và cs, đã phát minh ra hệ thống EGSB - ExpandedGranular Sludge Bed (lớp bùn hạt mở rộng)

Dòng nước thải đi vào hệ thống theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt

mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất hữu cơ chứa trong bùn

thải Vận tốc dòng lên của hệ thống có thể đạt trên 9 m/h, cao hơn nhiều hệthống UASB (0,6 - 0,9 m/h) Nước thải ra khỏi hệ thống có thể được tuần hoàn trởlại một phần, do tải lượng của bể EGSB (2 – 4 kg COD/m3.ngày [8]) thấp hơn sovới bể UASB.

+ Ưu điểm:

- Giảm được chi phí xây dựng (do tải trọng xử lý cao);

- Độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động không thuận lợi, cóthể hoạt động được ở nhiệt độ thấp: 8 – 12 oC; có thể xử lý nhiều chất độchại và nhiều loại acid béo có cấu tạo bền vững;

- Vận tốc nước dâng lớn: 9 - 12m/h (trong bể UASB là 0,6 - 0,9m/h)

+ Nhược điểm:

- Tốn năng lượng do dòng tuần hoàn;

- Bùn dư có khả năng phân tách kém hơn bùn trong hệ UASB;

-Do tốc độ dâng nước lớn nên rất khó tạo bùn hạt (loại bùn có hoạt tính cao)

Từ các ưu nhược điểm trên cho thấy hệ thống EGSB nên áp dụng cho nước

thải có tải lượng COD thấp và chứa các chất hữu cơ dạng hòa tan

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

1.3.3.1 Các công trình hiếu khí có triển vọng áp dụng cho xử lý nước thải chăn nuôi

a, Aerotank:

Đây là quá trình xử lý hiếu khí lơ lửng, hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính

được phát minh bởi Arden và Lockett năm 1914 tại Anh Vi sinh vật dính bám lêncác bông cặn có trong nước thải và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạttính phân hủy chất hữu cơ Các bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảmbảo lượng oxy cần thiết cho hoạt động phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái

lơ lửng Các bông bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV,động vật nguyên sinh qua đó nước thải được làm sạch

Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng bể Aerotank có ưu điểm:

- Tiết kiệm được diện tích;

23

- Hiệu quả xử lý cao;

với các

phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồ sinh học, mương oxy hóa Do đó tùyđiều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hình thức xử lý phù hợp

b, Lọc sinh học hiếu khí

Sử dụng hệ vi sinh vật dính bám trên các vật liệu lọc để xử lý các chất hữu

cơ trong nước thải Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều loại VSV

có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá thể, tạothành màng Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ: chất hữu

cơ, cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán

Sự phân loại màng sinh học kỵ khí và màng sinh học hiếu khí chỉ mang tínhtương đối, vì trong quá trình màng hiếu khí vẫn luôn tồn tại các chủng vi sinh vật

kỵ khí ở lớp màng phí trong tùy thuộc vào điều kiện cấp khí

c, Hồ sinh học

Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương như quá trình tự làm sạch ởsông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn Trong hồ có thể nuôi trồngthủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá để tăng hiệu quả xử lý Quần thể động thực vật

trong hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu

cơ của nước thải Đầu tiên vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thànhcác chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp chúng lại giải phóng ra oxycung cấp cho động thực vật Cá bơi khuấy trộn nước có tác dụng tăng sự tiếpxúc của oxy với nước, thúc đẩy sự họat động, phân hủy của vi sinh vật

Ngoài nhiệm vụ xử lý nước thải, hồ sinh học còn có các lợi ích: nuôi trồngthủy sản và cây trồng, điều hòa lưu lượng, dự trữ nước cho các mục đích sửdụng nước khác

d, Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng thuỷ sinh thực vật

Trong xử lý nước thải, thực vật thủy sinh (TVTS) có vai trò rất quan trọng.TVTS tham gia loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ, phốtpho, kim

loại nặng và VSV gây bệnh Trong quá trình xử lý nước thải thì sự phối hợp chặtchẽ giữa thực vật thủy sinh và các sinh vật khác (động vật phù du, tảo, vi khuẩn,

vi nấm, động vật nguyên sinh, nhuyễn thể, ấu trùng, côn trùng…) có ý nghĩa quantrọng Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ vàtạo nguyên liệu dinh dưỡng (N, P và các khoáng chất khác…) cho thực vật sửdụng Đây chính là cơ chế quan trọng để TVTS loại bỏ các hợp chất vô cơ N, P.Hiện nay việc sử dụng TVTS trong công tác bảo vệ môi trường ngày càng dượcchú ý hơn vì chúng có những ưu điểm nổi bật:

- Xử lý được nhiều tác nhân gây ô nhiễm;

- Thân thiện với môi trường;

sử

dụng làm thức ăn chăn nuôi, sản xuất khí mêtan, phân bón…;

- Giá thành xử lý thấp hơn so với các phương pháp sinh học khác

1.3.4 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải

Quá trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau:

NH4

Nước

Quá trinh oxy hóa NH4

Cùng với việc tiêu thụ năng lượng thì có khoảng 20 - 40% NH4+ được tiêuthụ trong quá trình tổng hợp tế bào Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết nhưsau:

25

- +

4 CO2 + HCO3 + NH4 + H2O C5H7O2N (tế bào VK) + 5 O2

1,02NH4+ + 1,89O2 + 2,02 HCO3- 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O + 1,92 H2CO3+ NO3-

Oxy hóa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của quátrình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ thấp hơn Tốc độ phát triển của

Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn

ổn định

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của VSV tự dưỡng:

+ DO: DO cần thiết cho quá trình nitrat hoá xảy ra ít nhất là 0,3 mg/l Tốc

độ nitrat hoá đối với Nitrosomonas không phụ thuộc vào DO nếu DO > 1 mg/l và

đối với Nitrobacter khi DO > 2 mg/l (Schoberl và Angel, 1964).

khi giảm nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrat hóa trong khoảng 30 – 36 0C,

nhưng chúng có thể phát triển ở 4 – 50 0C

+ pH: giá trị pH thích hợp là từ 7,6 - 8,6; khi pH < 6,2 hoặc pH > 10 sẽ ức

chế hoàn toàn quá trình hoạt động của VSV

hợp chất clo, Cl- và các kim loại nặng Đối với VSV có tốc độ phát triển chậm thìảnh hưởng của độc tố đến nó là ít hơn, như vậy trong hai quá trình thì loại

Nitrosomonas ít bị ảnh hưởng bởi độc tố hơn Nitrobacter Một độc tố rất quan trọng

là NH3 và axit HNO2 ở dạng trung hòa – sản phẩm và nguyên liệu của quá trình,

Nitrobacter bị ảnh hưởng nhiều hơn (0,1 - 1,0 mg N-NH3/l) so với Nitrosomonas (5

nên nồng độ NH3 trong nước thải là thấp Ngược lại HNO2 lại tồn tại và thể hiện

độc tính ở pH thấp

+ Nồng độ NH4 +:

26

Bảng 4: Nồng độ NH 4

pH

6,06,57,07,58,0

Nguồn: Turk, O., vµ Mavinic, D.S (1986), Preliminary Assessment of a Shortcut in

1.3.4.2 Quá trình khử Nitrat

Nitrat là sản phẩm cuối của quá trình oxy hóa amoni, nitrat chưa được xem là

bền vững cũng gây độc cho môi trường nên cần được khử thành khí nitơ

4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O

Để khử nitrat VSV cần có chất khử, chất khử có thể là các chất hữu cơ hoặc

các chất vô cơ như (S, Fe2+) Phần lớn VSV nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng

– chúng sử dụng C hữu cơ để tổng hợp tế bào, ngoài phần sử dụng cho khử nitrat.Song song với quá trình khử nitrat là quá trình tổng hợp tế bào, do đó lượng chấthữu cơ tiêu hao cho cả quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cầnthiết cho khử nitrat

Quá trình khử nitrat giống như quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sửdụng oxy chúng sử dụng NO2- và NO3- khi môi trường thiếu oxy Trong hệ khửnitrat bởi VSV, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của chấtnhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrit, nitrat, sunfat Mức độcạnh tranh về phương diện sử dụng chất cho điện tử: O2 > NO3- NO2- > SO42-

VSV cần N để tổng hợp protein và sử dụng NH3 hơn (sử dụng trực tiếp)

Cả hợp chất thải vô cơ (H, S ) và hữu cơ đều có thể làm cơ chất choquá trình khử nitrat Kết quả của quá trình là chất cho điện tử bị oxy hóa và nitratthì giảm đi

Sự kết hợp nitrat hóa với khử nitrat có thể giải thích bởi 2 quá trình trao đổi

có thể diễn ra:

Vùng có DO thấp hoặc bằng 0 có mặt trong bể nhờ quá trình khuấy trộn.Bông bùn hoạt tính có thể chứa cả 2 vùng thiếu và hiếu khí, DO và cơ chấthòa tan bên ngoài bông bùn phân tán vào vùng hiếu khí phụ thuộc vào DO, nồng độamoni và COD

Hình 4: Cấu trúc 1 hạt bùn hoạt tính chứa vùng thiếu khí và hiếu khí

Các chất hữu cơ mà nhóm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, các hóachất hữu cơ đưa vào, các chất hữu cơ hình thành từ quá trình phân hủy nội sinh

Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào các yếu tố sau:

hòa tan DO ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quá trình vì oxy trong nước thải ức chế

các enzyme khử nitrat Oxy ức chế các enzyme nitrit mạnh hơn các enzyme khử nitrat

+ pH: Theo Nommik (1956), Wiljer và Delwiche (1954), Bremmer và Shaw

(1958) cho thấy tốc độ khử nitrat không bị ảnh hưởng khi pH từ 7 - 8, khi pH từ 8

- 9,5 và từ 4 - 7 thì tốc độ khử nitrat hoá giảm tuyến tính.

+ Nhiệt độ: tốc độ tăng lên gấp đôi khi tăng nhiệt độ lên 10 0C trong

khoảng nhiệt độ 5 – 25 0C

28

+ Chất hữu cơ: các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy tạo điều kiện tốt thúc

đẩy tốc độ khử nitrat Quá trình khử xảy ra trong điều kiện thiếu khí và cần nguồn C-hữu cơ (1 g N - NO3- cần khoảng 3g COD)

bởi các độc tố hơn nhưng vẫn là vấn đề cần quan tâm Oxy ức chế enzym khử

nitrit Nồng độ oxy hòa tan sẽ ức chế quá trình khi đạt 13% nồng độ bão hòa

350 mg/l quá trình bị ức chế hoàn toàn (kể cả quá trình oxic dùng chất nhận e- là

O2) Tương tự, các khí NOx cũng là chất độc

Hệ xử lý N trong nước thải bằng phương pháp sinh học có thể riêng rẽhoặc tổ hợp hai quá trình: oxy hóa amoni và khử nitrat Đối với nước thải chănnuôi nên áp dụng kỹ thuật xử lý 2 giai đoạn riêng rẽ Phương pháp xử lý này có

ưu điểm: linh hoạt, dễ tối ưu hóa các quá trình, và giảm thiểu các độc tố vớiVSV tự dưỡng (do đó được oxy hóa ở giai đoạn 1)

Trong nước thải chăn nuôi, hàm lượng COD và nitơ đều cao nên sự hoạtđộng của VSV tự dưỡng sẽ bị cạnh tranh quyết liệt bởi VSV dị dưỡng, dẫn đếnkhả năng xử lý các hợp chất chứa nitơ trở lên khó khăn hơn Do đó cần phảioxy hóa nước thải theo nhiều giai đoạn, để tạo điều kiện cho giai đoạn sau oxyhóa các hợp chất nitơ được dễ dàng

1.3.5 Một số quy trình cơ bản ứng dụng xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học đãđược nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế từ những năm 1960 Trên thực

tế có rất nhiều quy trình công nghệ xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học khácnhau Chúng giống nhau ở nguyên lý là thực hiện các quá trình nitrat hóa và khửnitrat hóa nhưng khác nhau ở cách sắp xếp trình tự các quá trình trong sơ đồ xử lý

và nguồn cácbon sử dụng Sau đây là một số quy trình cơ bản thường được sửdụng trong xử lý Nitơ trong nước thải

Trong quy trình a cho hiệu suất xử lý cao (70 - 90%) vì toàn bộ nitrat sinh ratrong bể hiếu khí sẽ được đưa qua quá trình khử nitrat Trong quy trình này, cácquá trình tái sục khí tiếp theo quá trình khử nitrat là cần thiết nhằm xử lý thànhphần hữu cơ dư sinh ra sau khử nitrat Quy trình công nghệ này có nhược điểm

là phức tạp, cần phải bổ sung cơ chất hữu cơ cho quá trình khử nitrat

Nước thải vào

Hình 5: Một số quy trình công nghệ xử lý nitơ trong nước thải

Quy trình b là quy trình có thể tận dụng ngay nguồn hữu cơ sẵn có trongnước thải mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài Qui trình nàyđơn giản, chi phí đầu tư thấp nhưng nhược điểm là hiệu suất khử nitrat phụthuộc vào tỷ lệ dòng hồi lưu nước sau bể nitrat hóa Hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 –

70 %, tỷ lệ hồi lưu so với dòng vào là từ 1 - 4 lần

30

Quy trình c là quy trình được ứng dụng để xử lý đồng thời N, P trong nước

thải Hiệu suất xử lý tương tự như quy trình b

1.4 Giới thiệu sơ lược về phương pháp sục khí luân phiên

Phương pháp sục khí luân phiên (Intermittent Aeration methods) là một dạngcông trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính theo mẻ Thiết bị giốngquá trình bùn hoạt tính, tuy nhiên chế độ sục khí không liên tục mà theo chu kỳ, baogồm các chu trình sục khí (hiếu khí)/ngừng sục khí (thiếu khí) luân phiên nhau Hệthống sục khí luân phiên là hệ thống được áp dụng để xử lý nước thải chứa chất hữu

cơ và nitơ cao mà không cần phải bổ sung cơ chất cho quá trình khử nitrat

Ưu điểm:

• Xử lý đồng thời COD, Nitơ, Photpho

• Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệuquả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục

• Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiếu khí – hiếu khí kết hợp

• Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu/thiếu khí truyền thống

• Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu

Nhược điểm:

• Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam

chế

độ vận hành tối ưu khác nhau)

Các quá trình sinh học diễn ra trong bể sục khí luân phiên

• Oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz + (x+y/4 – z/2) O2 → x CO2 + y/2 H2O

• Tổng hợp sinh khối tế bào:

n(CxHyOz) + nNH3+ n(x+y/4 –z/2-5)O2→(C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + 4)/2 H2O

n(y-• Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phân hủy nội bào):

(C5H7NO2)n + 5nO2 → 5n CO2+ 2n H2O + nNH3

• Quá trình nitrit hóa:

2NH3+ 3O2→ 2NO2- + 2H+ + 2H2O (VK

Nitrosomonas) ( 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O)

2NO2- + O2 → 2NO3- (VK Nitrobacter)

NH4+ + 2O2 → NO3-+ 2H+ +2H2O

• Quá trình phản nitrit hóa:

NO3- →NO2- → N2

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nước thải chăn nuôi được xác định là loại nước thải dễ phân hủy sinh học vìchứa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy như cacbon hidrat Xử lý nướcthải chăn nuôi bằng biện pháp sinh học là phổ biến ở hầu hết các trại chăn nuôi côngnghiệp nhờ tính khả thi và tính kinh tế cao của nó Bên cạnh đó, phương pháp xử lýsinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp vàtính ổn định cao, đặc biệt hiệu quả xử lý rất cao ở thời gian lưu ngắn đối với cácloại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

1.5.1 Trong nước

Hiện nay, chất thải chăn nuôi phần lớn chưa được quản lý và xử lý đầy đủ.Một số điểm chăn nuôi có hệ thống xử lý chủ yếu là hầm biogas và/hoặc hồ tựnhiên Các hệ thống này phần nào giảm được một phần ô nhiễm, tuy nhiên chưađạt được hiệu quả như mong đợi

Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi.Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cs [5,6] đã nghiên cứu xử lý nước thải chănnuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m3/ngày-đêm bằng hệ thống bể yếm khí - bể lọcyếm khí - hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao Hiệu quả xử lý các thànhphần hữu cơ, nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống này khá cao đều đạttrên 95% Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống rất lớn (bể yếm khí 22,4

h, bể lọc yếm khí 16 h, hồ sinh học 720 m2 (24 m2/1m3 nước thải), thể tích thiết bị

và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khó áp dụng trong thực tế

32

Trung tâm ứng dụng và chuyển giao tiến bộ khoa học và công nghệ VĩnhPhúc ứng dụng biện pháp xử lý nước thải chăn nuôi sau hầm biogas bằng côngnghệ lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với hồ sinh học ở qui mô thử nghiệm 3 – 5

m3/ngày-đêm Nước thải sau khi xử lý qua hệ thống này chỉ đạt ngưỡng loại Ccủa QCVN 40: 2011

Ngoài ra còn có một số nghiên cứu mang tính chất khảo sát sơ bộ ban đầu,như: ứng dụng tảo lam của Trung tâm nghiên cứu sinh học thực nghiệm (Việnnghiên cứu ứng dụng, Bộ Khoa học và Công nghệ); xử lý SS bằng keo tụ điện hóacủa tác giả Trương Thanh Cảnh – Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học

tự nhiên - Đại học Quốc gia TP.HCM; và một số nghiên cứu khác về các mô hìnhkết hợp cột lọc sinh học hiếu khí và bể tảo, mô hình thực vật thủy sinh, mô hìnhkết hợp bể bùn hoạt tính hiếu khí và bể nuôi tảo

Các kết quả nghiên cứu ban đầu của Viện Công nghệ môi trường về xử lýnước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR [10] đạt được khá cao đốivới COD (80 – 90%) cũng như amoni (90%), tuy nhiên hiệu quả xử tổng nitơcòn bị hạn chế (40%) Do đó cần tiếp tục nghiên cứu, tối ưu hóa điều kiện vậnhành nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nitơ

Về nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải chăn nuôilợn ở Việt Nam, tác giả Lê Công Nhất Phương (Đề tài luận văn tiến sỹ, Viện Môitrường và Tài Nguyên, Trường Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) đã bước đầunghiên cứu làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn ở bể UASB của hệ thống xử lýnước thải nuôi lợn và nghiên cứu thử nghiệm xử lý amoni trên mô hình thí nghiệm 10L/ngày [7] Kết quả cho thấy thời gian làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ 4-5 tháng,hiệu suất loại bỏ amonni của quá trình nitrit hóa – Anammox kết hợp trên hệ thiết bịphòng thí nghiệm là 80 – 97% Nghiên cứu cũng cho thấy rằng điều khiển khống chếquá trình nitrit hóa để đạt được tỉ lệ N-NH4+: N-NO3- xấp xỉ 1 : 1 là rất quan trọng,quyết định đến hiệu xuất xử lý tổng của quá trình, và tỉ lệ COD/T-N cao sẽ ảnh hưởngkhông tốt đến hoạt động xử lý nitơ của vi khuẩn Anammox, do cạnh tranh yếu hơn sovới các nhóm vi khuẩn kỵ khí khác Đây là

một phương pháp có nhiều triển vọng trong tương lai, tuy nhiên cần có thêm nhiềunghiên cứu đầy đủ, đặc biệt là về mặt kỹ thuật kiểm soát quá trình và làm chủ côngnghệ, đồng thời cần được phát triển để phù hợp với điều kiện trang trại Việt Nam.

Về hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi tại các trang trại chăn nuôi lợn, khảosát của Viện Kỹ thuật nước và Công nghệ môi trường phục vụ cho việc xây dựng sổtay công nghệ xử lý nước thải công nghiệp của Dự án JICA – Viện Công nghệ môitrường [13] cho thấy, phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi phổ biến hiện nay là sửdụng bể biogas để cung cấp khí sinh học cho việc đun nấu, thắp sáng và chạy máyphát điện Việc sử dụng bể biogas ở các trang trại chăn nuôi nhằm mục đích xử lýchất thải và khai thác nguồn năng lượng mới Nhưng nước thải sau bể biogas vẫn cònnhiều chất gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý trước khi thải vào môi trường.Một vài trang trại có hệ xử lý nước thải hoàn chỉnh hơn thường theo qui trình nhưsau: Bể biogas/hoặc bể ổn định kỵ khí Bể aeroten/hoặc lọc sinh học hiếu khí Hồ sinhhọc (tùy nghi hoặc thực vật thủy sinh) Phần lớn các trang trại đều gặp trục trặc với bểbiogas, hồ sinh học thường đòi hỏi thể tích/diện tích rất lớn (Công ty Cổ phần Đầu tư,Thương mại & Chăn nuôi Đông Á (120 m3/ngày): thể tích 5.600m3; Cơ sở hợp tácchăn nuôi heo hậu bị (35 m3/ngày) : diện tích 1.200 m2)

Nhìn chung, cho đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu mang tính tổngthể đánh giá đầy đủ hiệu quả và tính phù hợp của các công nghệ vi sinh đối vớinguồn nước thải chăn nuôi sau xử lý yếm khí Các nghiên cứu về công nghệ xử

lý nước thải chăn nuôi chỉ mới dừng lại ở qui mô phòng thí nghiệm hay qui môthử nghiệm cho một loại hình công nghệ nào đó Hiệu quả xử lý của các mô hìnhnghiên cứu hoặc chưa đạt được yêu cầu mong muốn; hoặc quá phức tạp, cần thểtích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn Kỹ thuật xử lý hiếu khí – thiếu khí để xử

lý thành phần dinh dưỡng trong nước thải sau xử lý yếm khí cho nước thải chănnuôi ở nước ta hầu như chưa có

1.5.2 Ngoài nước

Đã có nhiều nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn cũng như nhiều loại nước

34

thải công nghiệp khác (nước thải chế biến thực phẩm, nước thải nhà máy sữa,nước thải chế biến phomat, nước thải giết mổ gia súc, …) bằng phương phápSBR [18,19,20] Kết quả nghiên cứu của Kim và cs [20] đối với nước thải chănnuôi lợn (COD = 1000 mg/L, N-NH4+ = 3400 mg/L, T-P = 145 mg/L), trong khoảngtải trọng 0,063 – 0,25 kg-COD/m3-ngày, với chu trình xử lý 12h cho thấy hiệu suất

xử lý đạt 57,4 – 87,4% đối với COD, 90,8 – 94,7% đối với N-NH4+ Kết quảnghiên cứu của Edgerton và cs [23] với nước thải đầu vào có COD = 4500 mg/L,N-NH4+ = 250 mg/L, T-P = 383 mg/L, với các quá trình yếm khí/hiếu khí/thiếu khí,

ở tải trọng 1,18 kg-COD/m3-ngày, chu trình xử lý 12 h cho hiệu quả xử lý là 79%,99% và 49% tương ứng với COD, N-NH4+ và T-P Một số nghiên cứu cải tiếnnhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp SBR cũng đã được thực hiện.Nghiên cứu của Bortone và cs [19], và Filali và cs về xử lý nước thải chăn nuôilợn cho thấy chế độ cấp nước thải 2 lần trong chu kỳ xử lý cho hiệu suất xử lý caohơn chế độ cấp nước thải 1 lần Trong nghiên cứu của Bortone [19], ở chế độcấp nước thải 1 lần, nước thải được cấp vào giai đoạn đầu của chu trình xử lý,còn ở chế độ cấp nước thải 2 lần, nước thải được cấp vào đầu chu trình xử lý vàvào giai đoạn khử nitrat thứ hai với tỉ lệ lưu lượng là ¾ và ¼ Hiệu quả xử lý tổngnitơ ở chế độ cấp nước thải 2 lần cao hơn chế độ cấp nước thải 1 lần (93% sovới 88%) Hiện nay người ta cũng cải tiến hệ thống SBR bằng cách bổ sung thêm

bể hoạt hóa bùn sinh học vào phía trước hệ thống, và hồi lưu bùn trở lại nhằmlàm tăng hoạt tính của bùn Phương pháp SBR được coi là một công nghệ xử lýhiệu quả đối với nhiều loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp [29]

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nước thải

Nước thải thí nghiệm là nước thải chăn nuôi lợn sau quá trình biogas.Nước thải được lấy từ trang trại Thụy Phương Thành phần của nước thảiđược trình bày trong bảng 5 Nước thải sau biogas vẫn còn chứa nồng độ chấthữu cơ, nitơ và photpho cao

Bảng 5: Thành phần của nước thải chăn nuôi lợn sau biogas

Thông sốpHCODCr (mg/l)N-NH4+ (mg/l)T-N (mg/l)Tổng Photpho (mg/l)TSS (mg/l)

2.1.2 Hệ thiết bị thí nghiệm sục khí luân phiên

Thí nghiệm thực hiện trên hệ thiết bị như ở hình 6

Bơm nước thải