Nghiên cứu mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động (sbmbbr) và chế phẩm sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ KẾT HỢP VỚI GIÁ THỂ DI ĐỘNG SBMBBR VÀ CHẾ PHẨM SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BỂ BIOGAS.. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết

năm 2013

MẺ KẾT

Ế PHẨM UÔI SAU U

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

- -

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS THÁI VĂN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN NHƯ SANG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

ngày 30 tháng 12 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN ANH VIỆT MSHV: 11250537

Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1986 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường Mã số: 608506

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BỂ PHẢN ỨNG THEO MẺ KẾT

HỢP VỚI GIÁ THỂ DI ĐỘNG (SBMBBR) VÀ CHẾ PHẨM SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BỂ BIOGAS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết kế, vận hành mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động (SBMBBR) xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas ở các tải trọng khác nhau;

- Đánh giá, so sánh khả năng xử lý COD, nitơ, photpho của mô hình trước và sau khi sử dụng chế phẩm sinh học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG

Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG

  I 

LỜI CẢM ƠN

E G E G Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tấn Phong, người đã tận tình hướng dẫn, tài trợ kinh phí giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, các Cô tại Khoa Môi Trường, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh cũng như các Thầy Cô thỉnh giảng đã truyền đạt những kiến thức quý báu giúp tôi có được nền tảng vững chắc để thực hiện việc nghiên cứu Tôi xin cảm ơn các Anh, các Chị tại phòng Thí nghiệm Khoa Môi Trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian mô hình thí nghiệm được vận hành tại đây

Tôi xin cảm ơn các Anh Chị khóa trước đã truyền đạt những kinh nghiệm quý báo, cám ơn các Bạn cùng khóa và các Bạn sinh viên đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian tôi theo học tại trường

Cuối cùng, xin cảm ơn sâu sắc đến Ba Mẹ và những người thân trong gia đình của tôi, những người đã luôn ở bên tôi, hỗ trợ và động viên để tôi có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập

  II 

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VI 

DANH MỤC BẢNG VIII 

DANH MỤC HÌNH IX 

TÓM TẮT LUẬN VĂN XI 

ABSTRACT XII 

LỜI CAM ĐOAN XIII 

MỞ ĐẦU 1 

1.1 Tính cần thiết của đề tài 1 

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2 

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 2 

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu 2 

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 2 

1.4 Nội dung nghiên cứu 3 

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình 3 

1.5.2 Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét 4 

1.6 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài 4 

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 4 

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 4 

1.6.3 Tính mới của đề tài 4 

CHƯƠNG II  TỔNG QUAN 6 

2.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi và các vấn đề liên quan 6 

2.1.1 Thành phần của nước thải chăn nuôi 6 

2.1.2 Tính chất của nước thải chăn nuôi 6 

2.1.3 Tác động của nước thải chăn nuôi đến môi trường 7 

2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng hầm ủ sinh học Biogas 9 

  III 

2.2.1 Giới thiệu về Biogas 9 

2.2.2 Các quá trình sinh hóa trong bể Biogas 10 

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống biogas 11 

2.2.4 Ảnh hưởng của chất thải từ hầm ủ biogas 13 

2.3 Sơ lược về nước thải chăn nuôi sau bể Biogas 14 

2.4 Tổng quan về công nghệ SBR kết hợp giá thể trong xử lý nước thải 15 

2.4.1 Giới thiệu 15 

2.4.2 Tổng quan về quá trình xử lý hiếu khí của SBR 16 

2.5 Tổng quan về nitrat hóa và khử nitrat hóa (thiếu khí) 18 

2.5.1 Quá trình nitrat hóa 18 

2.5.2 Quá trình khử nitrat 22 

2.6 Tổng quan về quá trình xử lý phospho 25 

2.7 Tổng quan về việc sử dụng giá thể di động trong xử lý nước thải 27 

2.8 Tổng quan về chế phẩm sinh học 30 

2.8.1 Quá trình hình thành và phát triển 30 

2.8.2 Ứng dụng của chế phẩm sinh học 31 

2.9 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài 36 

2.9.1 Một số nghiên cứu ngoài nước 36 

2.9.2 Một số nghiên cứu trong nước 38 

CHƯƠNG III  VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 

3.1 Đối tượng nghiên cứu 41 

3.1.1 Nước thải 41 

3.1.2 Bùn hoạt tính 42 

3.1.3 Giá thể di động 42 

3.2 Mô hình nghiên cứu 43 

3.2.1 Cài đặt mô hình 43 

3.2.2 Phương pháp vận hành 45 

3.3 Nội dung thí nghiệm 46 

3.3.1 Giai đoạn thích nghi 47 

  IV 

3.3.2 Giai đoạn khảo sát chính 47 

3.4 Phương pháp lấy mẫu, phân tích và xử lý số liệu 47 

3.4.1 Phương pháp lấy mẫu 47 

3.4.2 Phương pháp phân tích 48 

3.4.3 Xử lý số liệu 54 

CHƯƠNG IV  KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 55 

4.1 Vận hành giai đoạn thích nghi 55 

4.2 Kết quả vận hành thí nghiệm 1 (Vận hành SBMBBR khi không sử dụng chế phẩm sinh học) 56 

4.2.1 Hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 1 56 

4.2.2 Hiệu suất xử lý Ammonia ở thí nghiệm 1 58 

4.2.3 Hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 1 60 

4.2.4 Hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 1 61 

4.2.5 Hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 1 63 

4.3 Kết quả vận hành thí nghiệm 2 (Vận hành SBMBBR khi sử dụng chế phẩm sinh học) 64 

4.3.1 Hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 2 64 

4.3.2 Hiệu suất xử lý Ammonia ở thí nghiệm 2 66 

4.3.3 Hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 2 68 

4.3.4 Hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 2 70 

4.3.5 Hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 2 71 

4.4 So sánh hiệu suất xử lý ở hai thí nghiệm 72 

4.4.1 So sánh hiệu suất xử lý COD 72 

4.4.2 So sánh hiệu suất xử lý Ammonia 73 

4.4.3 So sánh hiệu suất xử lý TKN 74 

4.4.4 So sánh hiệu suất xử lý TN 75 

4.4.5 So sánh hiệu suất xử lý TP 76 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 

Kết luận 77 

Kiến nghị 78 

  V 

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 80 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 

PHỤ LỤC 86 

  VI 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

sunfat (Fe(NH4)2SO4)

bùn hoạt tính

bào

Biofilm Reactor

Bể phản ứng theo mẻ kết hợp giá thể di động

  VII 

  VIII 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chất của nước thải chăn nuôi 6 

Bảng 2.2 Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas 9 

Bảng 2.3 Lượng khí biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp 10 

Bảng 2.4 Thành phần nước thải chăn nuôi sau bể Biogas 14 

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ tăng trưởng đặc trưng tối đa của quá trình nitrate hóa 21 

Bảng 2.6 Các chủng vi khuẩn trong AquaClean® 34 

Bảng 3.1 Thành phần nước thải sau bể biogas sử dụng cho thí nghiệm 41 

Bảng 3.2 Quy trình vận hành bể xử lý 45 

Bảng 3.3 Các tải trọng thực nghiệm trên mô hình nghiên cứu 47 

Bảng 3.4 Thiết bị và phương pháp phân tích 48 

Bảng 4.1 Phần trăm hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 1 56 

Bảng 4.2 Phần trăm hiệu suất xử lý Ammoni ở thí nghiệm 1 58 

Bảng 4.3 Phần trăm hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 1 60 

Bảng 4.4 Phần trăm hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 1 61 

Bảng 4.5 Phần trăm hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 1 63 

Bảng 4.6 Phần trăm hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 2 65 

Bảng 4.7 Phần trăm hiệu suất xử lý Ammoni ở thí nghiệm 2 67 

Bảng 4.8 Phần trăm hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 2 69 

Bảng 4.9 Phần trăm hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 2 70 

Bảng 4.10 Phần trăm hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 2 71 

  IX 

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Quá trình các bước của SBR 16 

Hình 2.2 Cơ chế chuyển hóa amoni ở vi khuẩn Nitrosomonas europaea 19 

Hình 2.3 Cơ chế chuyển hóa của vi khuẩn khử nitrat 22 

Hình 2.4 Quá trình chuyển hóa phospho bằng phương pháp kỵ khí và hiếu khí/thiếu khí 26 

Hình 2.5 Một số loại giá thể di động đang được sử dụng 28 

Hình 2.6 Các quá trình xử lý trên giá thể 29 

Hình 2.7 Chế phẩm vi sinh AquaClean/N1 36 

Hình 3.1 Giá thể K1 và K3 43 

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm bằng hình vẽ 44 

Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm 45 

Hình 4.1 Các giai đoạn vi sinh bám trên giá thể khi vận hành thích nghi 55 

Hình 4.2 Hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 1 56 

Hình 4.3 Hiệu suất xử lý Ammonia ở thí nghiệm 1 58 

Hình 4.4 Hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 1 60 

Hình 4.5 Hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 1 61 

Hình 4.6 Hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 1 63 

Hình 4.7 Hiệu suất xử lý COD ở thí nghiệm 2 64 

Hình 4.8 Hiệu suất xử lý Ammonia ở thí nghiệm 2 66 

Hình 4.9 Hiệu suất xử lý TKN ở thí nghiệm 2 68 

Hình 4.10 Hiệu suất xử lý TN ở thí nghiệm 2 70 

Hình 4.11 Hiệu suất xử lý TP ở thí nghiệm 2 71 

Hình 4.12 Hiệu suất xử lý COD khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học 72 

Hình 4.13 Hiệu suất xử lý Ammonia khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học 73 

Hình 4.14 Hiệu suất xử lý TKN khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học 74 

Hình 4.15 Hiệu suất xử lý TN khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học 75 

  X 

Hình 4.16 Hiệu suất xử lý TP khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học

76 

  XI 

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu đánh giá và so sánh hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas bằng

mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp giá thể di động, khi sử dụng và không sử dụng chế phẩm sinh học Mô hình thí nghiệm sử dụng giá thể K3, bề mặt 574 m2/m3giúp tăng tổng sinh khối, cải thiện khả năng xử lý nitơ nhờ lớp vi sinh vật kỵ khí bám bên trong, tiếp xúc với giá thể Chế phẩm sinh học sử dụng trong thí nghiệm là Aquaclean/N1, giúp tăng hiệu quả xử lý nitơ, khắc phục sự cố của hệ thống có hàm lượng nitơ tổng cao, giúp đẩy mạnh và thiết lập các quá trình nitrat hóa Nghiên cứu được thực hiện ở bốn tải trọng 0,5; 0,75; 1,00; 1,25 kg COD/m3.ngày với thời gian lưu là 12 giờ Nghiên cứu cho kết quả khả quan Hiệu quả xử lý COD đạt trên 80% hiệu quả xử lý nitơ tăng 7-9% khi sử dụng chế phẩm sinh học Trong khi đó, hiệu quả xử lý COD và TP thay đổi không đáng kể sau khi sử dụng chế phẩm sinh học

  XII 

ABSTRACT

Digester study evaluated and compared the effectiveness of swine wastewater treatment from biogas by sequencing batch moving bed biofilm reactor (SBMBBR) with and without using probiotics The reactor using K3 media with surface area is

574 m2/m3 help to increase the total biomass of the SBMBBR This media improved nitrogen treatment efficiency by anaerobic biofilm layer contact with the substrate Effective microorganisms used in the study was AquaClean/N1 as a probiotic This probiotic helps to increase the efficiency of nitrogen treatment; troubleshoot the system with a high total nitrogen content; to help promote and establish nitrification The study was conducted at four organic loading rates (OLRs) of 0,50; 0,75; 1,00; 1,25 kg COD/m3.day with hydraulic retention times (HRTs) of 12 hours The results show that chemical oxygen demand (COD) removal efficiency was over 80% Nitrogen removal efficiency increased by 7-9% when using probiotics Meanwhile, the COD and total phosphorus (TP) removal efficiency did not change significantly with and without the using probiotics

  XIII 

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: Nguyễn Anh Việt, là học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Môi trường, khóa học 2011

Tên đề tài: Nghiên cứu mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động (SBMBBR) và chế phẩm sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi sau bể Biogas

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong

Tôi xin cam đoan:

− Công trình nghiên cứu này do chính tôi thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

− Các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố bởi tác giả khác ở bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong Luận văn tốt nghiệp của mình

Học viên

Nguyễn Anh Việt

  1 

CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cần thiết của đề tài

Mô hình biogas trở nên rất quen thuộc với người dân Đó là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân rác, phân gia súc, bùn thải,… để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất Mô hình Biogas đã mang lại rất nhiều lợi ích như xử lý được một khối lượng lớn chất thải hữu cơ, khí sinh ra được

sử dụng làm năng lượng để đun nấu và thắp sáng, chạy máy phát điện

Bên cạnh những thuận lợi đó còn có những mặt tiêu cực là nước thải chăn nuôi sau

bể Biogas đều được các cơ sở chăn nuôi thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận Nước thải này vẫn chưa đạt qui chuẩn môi trường cho phép xả thải do còn chứa nhiều chất hữu cơ độc hại và làm cho oxy hoà tan trong nước thấp, hàm lượng chất hữu cơ cao tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh phát triển mạnh Vì vậy cần có biện pháp xử lý nước thải này Trong bối cảnh phát triển kinh tế hiện tại, nhiệm vụ đặt ra là phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường đáp ứng các yêu cầu phát triển bền vững vì vậy đối với ngành chăn nuôi cũng không ngoại lệ

Đặc thù của ngành chăn nuôi ở Việt Nam:

- Quy mô vừa và nhỏ;

- Thường sử dụng bể biogas để xử lý chất thải;

- Lượng nước thải chăn nuôi sau bể biogas không nhiều, chất lượng nước tương đối tốt và không chứa các thành phần độc hại;

- Tải lượng ô nhiễm nước thải sau bể biogas cao, đặc biệt là TN, TP Yêu cầu cấp thiết là nghiên cứu những mô hình xử lý nước thải triệt để với chi phí đầu tư và vận hành thấp Xét thấy, mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể

di động (SBMBBR) là phù hợp, đáp ứng tốt yêu cầu xử lý nước thải chăn nuôi sau

bể biogas

  2 

Đề tài “Nghiên cứu mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động

(SBMBBR) và chế phẩm sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas”

được thực hiện với mục đích kết hợp các giải pháp xử lý nước thải trong cùng một đơn nguyên có thể xử lý nước thải nhiễm hữu cơ và các chất dinh dưỡng nhằm giảm chi phí xử lý và góp phần giải quyết vấn đề về môi trường đang mắc phải của ngành chăn nuôi hiện nay

Trên cơ sở từ nghiên cứu, có khả năng áp dụng hệ thống triển khai vào quy mô thực

tế Góp phần thúc đẩy mở rộng quy mô, tăng cường đầu tư và phát triển của ngành

trong tương lai Phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững của Việt Nam

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động (SBMBBR) và chế phẩm sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas bị nhiễm chất hữu cơ và Nitơ cao trong cùng một đơn nguyên xử lý

- Nghiên cứu hiệu suất xử lý COD, TN, TP của mô hình bể phản ứng theo mẻ kết hợp với giá thể di động (SBMBBR) trong xử lý nước thải thải chăn nuôi sau bể biogas

- So sánh, đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu

Đánh giá và so sánh hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas của mô hình

bể SBMBBR khi không sử dụng và có sử dụng chế phẩm sinh học

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình được thực hiện trong phòng thí nghiệm, đối tượng nghiên cứu được tập trung vào các đối tượng sau:

- Làm giàu sinh khối vi sinh dính bám trên giá thể

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Xác định liều lượng chế phẩm sinh học sử dụng thích hợp;

- Xác định ảnh hưởng của tải trọng COD nitơ và phospho lên mô hình SBMBBR

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện cũng như các công trình

đã áp dụng trên thế giới về hệ thống SBR và hệ thống SBR có giá thể để có cơ

sở và phương hướng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam;

- Phương pháp thực nghiệm trên mô hình, nghiên cứu trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm;

- Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu;

- Phương pháp tính toán và xử lý số liệu;

- Phân tích, nhận xét, đánh giá và báo cáo các kết quả thực nghiệm

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình

Mô hình nghiên cứu được thiết kế bằng nhựa trong suốt, đảm bảo các điều kiện sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh trong nghiên cứu Kiểm soát vận hành tự

1.6 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài

1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của mô hình là cơ sở lý thuyết cho quá trình kết hợp mô hình

nghiên cứu kết hợp tiếp theo nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ bằng quá trình xử lý theo mẻ và sinh khối vi sinh dính bám trên giá thể di động;

Kết quả của đề tài có thể đánh giá khả năng sử dụng chế phẩm vi sinh trong xử lý nước thải;

1.6.3 Tính mới của đề tài

Đề tài được nghiên cứu là sự kết hợp của quá trình xử lý theo mẻ với giá thể di động và sử dụng chế phẩm sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong cùng một đơn nguyên, tại đây xảy ra đầy đủ các quá trình

  5 

hiếu khí, thiếu khí, giá thể di động, lắng bùn,… với mục tiêu xử lý đa dạng các chất

ô nhiễm dựa trên xu hướng xử lý nước thải kết hợp với giá thể đang được nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ hiện nay Bên cạnh đó, việc kết hợp giá thể và chế phẩm sinh học trong xử lý nước thải là một xu hướng mới cần được đẩy mạnh nghiên cứu

do có nhiều ưu điểm: giúp nâng cao hiệu quả xử lý, không tốn chi phí về diện tích, trang thiết bị cho việc nâng cấp hệ thống xử lý hiện tại, thúc đẩy mở rộng sản xuất,…

  6 

CHƯƠNG II TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi và các vấn đề liên quan

2.1.1 Thành phần của nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước thải của vật nuôi, nước vệ sinh gia súc, chuồng trại, máng ăn uống và phân lỏng hoà tan Nước thải chăn nuôi có độ ẩm trung bình vào khoảng 93 – 98% Nước thải chăn nuôi rất giàu chất dinh dưỡng và

có giá trị lớn về mặt phân bón Trong 1m3 nước thải chăn nuôi có khoảng: 5-6kg N nguyên chất; 0,1kg P2O5; 12kg K2O Nước thải chăn nuôi là nghèo lân, giàu đạm và rất giàu Kali Đạm trong nước thải chăn nuôi tồn tại theo 3 dạng chủ yếu là: urê, axit uric và axit hippuric, khi để tiếp xúc với không khí một thời gian hay bón vào đất thì bị VSV phân giải axit uric và axit hippuric thành urê và sau đó chuyển thành amoni carbonat Đây cũng là một nguồn chất thải gây ô nhiễm nặng, chứa các chất hữu cơ và vô cơ có trong phân, nước tiểu, thức ăn … của gia súc

2.1.2 Tính chất của nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi thường có mức độ ô nhiễm khác nhau tùy theo cách thức làm

vệ sinh chuồng trại khác nhau (có hốt phân hay không hốt phân trước khi tắm rửa,

số lần tắm rửa cho gia súc và vệ sinh chuồng trại trong một ngày…)

Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải từ các ngành công nghiệp khác (acid, kiềm, kim loại nặng, chất oxy hoá, hoá chất công nghiệp …) nhưng chứa nhiều loại ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán có trong phân gia súc Tính chất của nước thải chăn nuôi được trình bày cụ thể ở sau:

Bảng 2.1 Tính chất của nước thải chăn nuôi

Nguồn: Bá Lan Hanh (2005)

2.1.3 Tác động của nước thải chăn nuôi đến môi trường

a Ô nhiễm đất

Nước thải chăn nuôi khi không được xử lý mang đi sử dụng cho trồng trọt như tưới, bón cho cây, rau củ quả dùng làm thức ăn cho người và động vật là không hợp lý Nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng tồn tại mầm bệnh trong đất, cây cỏ có thể gây bệnh cho người và gia súc, đặc biệt là các bệnh về ruột như thương hàn, phó thương hàn, viêm gan, giun đũa, sán lá…

Khi dùng nước thải chưa xử lý người ta thấy rằng có Salmonella trong đất ở độ sâu

50 cm và tồn tại được 2 năm, trứng ký sinh trùng cũng khoảng 2 năm Mẫu cỏ sau 3

tuần ngưng tưới nước thải có 84% trường hợp có Salmonella và vi trùng đường ruột

khác, phân tươi cho vào đất có E.coli tồn tại được 62 ngày Ngoài ra khoáng và kim loại nặng bị giữ lại trong đất với liều lượng lớn có thể gây ngộ độc cho cây trồng Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều kháng sinh, chất diệt trùng, chất kích thích sinh trưởng sẽ ảnh hưởng đến môi trường sống của người và gia súc

b Ô nhiễm nguồn nước

  8 

Khi lượng chất thải chăn nuôi chưa được xử lý đúng cách, thải vào môi trường quá lớn làm gia tăng hàm lượng chất hữu cơ, vô cơ trong nước, làm giảm quá mức lượng oxy hòa tan, làm giảm chất lượng nước mặt ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật (VSV) nước, là nguyên nhân tạo nên dòng nước chết (nước đen, hôi thối, VSV không thể tồn tại) ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động vật và môi trường sinh thái Hai chất dinh dưỡng trong nước thải dễ gây nên ô nhiễm nguồn nước đó là nitơ (nhất là ở dạng nitrat) và photpho

Nước thải chăn nuôi, với hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng N - P - K cao, khi thải ra có thể gây phú dưỡng hóa nguồn nước mặt (ao, hồ, đầm, sông) Hiện tượng này đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Trong nước thải chăn nuôi chứa một lượng lớn VSV gây bệnh và trứng ký sinh trùng Thời gian tồn tại của chúng trong nước thải khá lâu Theo các số liệu nghiên

cứu cho thấy: Erysipelothrise insidiosa 92 - 157 ngày, Brucella 105 - 171 ngày,

Mycobacterium 475 ngày, virus lở mồm long móng 190 ngày, Leptospira 21 ngày,

trứng ký sinh trùng đường ruột 12 - 15 tháng, đây là nguồn truyền bệnh dịch rất nguy hiểm

So với nước bề mặt, nước ngầm ít bị ô nhiễm hơn Tuy nhiên với quy mô chăn nuôi ngày càng tập trung, lượng chất thải ngày một nhiều Phạm vi bảo vệ không đảm bảo thì lượng chất thải chăn nuôi thâm nhập qua đất đi vào mạch nước ngầm làm giảm chất lượng nước Bên cạnh đó, các VSV nhiễm bẩn trong chất thải chăn nuôi cũng có thể xâm nhập vào nguồn nước ngầm Ảnh hưởng này có tác dụng lâu dài và khó có thể loại trừ

c Ô nhiễm không khí

Trong chất thải chăn nuôi luôn tồn tại một lượng lớn VSV hoại sinh Nguồn gốc thức ăn của chúng là các chất hữu cơ VSV hiếu khí sử dụng oxy hòa tan phân hủy các chất hữu cơ tạo ra những sản phẩm vô cơ: NO2--N, NO3--N, SO3, CO2 Quá trình này xảy ra nhanh không tạo mùi thối Nếu lượng chất hữu cơ có quá nhiều

  9 

VSV hiếu khí sẽ sử dụng hết lượng oxy hòa tan trong nước làm khả năng hoạt động

phân hủy của chúng kém, gia tăng quá trình phân hủy yếm khí tạo ra các sản phẩm

CH4, H2S, NH3, H2,… tạo mùi hôi, nước có màu đen có váng, là nguyên nhân làm

gia tăng bệnh đường hô hấp, tim mạch ở người và động vật

2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng hầm ủ sinh học Biogas

2.2.1 Giới thiệu về Biogas

Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết các cơ sở chăn nuôi

quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình Ưu điểm của bể biogas là có thể sản

xuất được nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế được một phần các nguồn

năng lượng khác

Trong bể biogas các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đó sau biogas nước

thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn Bùn cặn trong bể biogas có thể

sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp Cùng với việc có nguồn năng lượng mới sử

dụng, còn góp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ môi trường Khí

biogas là một nguồn năng lượng có triển vọng trong tương lai đồng thời góp phần

bảo vệ môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên

Bảng 2.2 Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas

CH4 50-65% CO2 30-45% N2 0-3%

Nguồn: Trần Mạnh Hải (2009)

  10 

calo/m3 tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hoa hay

2,2 kW điện

Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi, thời gian lưu nước, tải

trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khí sinh ra là khác nhau

Bảng 2.3 Lượng khí biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải

trong nông nghiệp

Động vật Sản lượng khí

hằng ngày (lít/kg chất thải rắn)

Thực vật Sản lượng khí

hằng ngày (lít/kg chất thải rắn)

Bò 15-32

Nguồn: Nguyễn Quang Khải (2002)

2.2.2 Các quá trình sinh hóa trong bể Biogas

Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng

cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí methane

• Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều có enzym

cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử

Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus,

Endosponus, Terminosponus Trong điều kiện yếm khí chúng phân hủy tạo ra:

CO2, H2 và một số chất tan trong nước như formandehit, acetat, ancol methylic

Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh

khí methane

• Nhóm vi khuẩn sinh khí methane: Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên

cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cs , 1997 ở Mỹ, được xếp thành 3 bộ, 4 họ, 17 loài

  11 

Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn methane, như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để Điều kiện cho các vi khuẩn methane phát triển cần có lượng CO2 đủ trong môi trường, nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N

= 20:1 Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng,… Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống biogas

a Nguyên liệu đưa vào

Cần phải bổ sung hàng ngày khối lượng phân đầy đủ, nếu quá nhiều hoặc quá ít phân đều có thể sản sinh ra ít khí hoặc không có khí Do đó cần phải duy trì sự cân bằng giữa các nhóm vi khuẩn trên, nếu dư các chất hữu cơ nhóm sinh vật thứ nhất sản sinh ra nhiều acid gây ức chế sự phát triển và hoạt động của nhóm vi khuẩn thứ hai Công thức pha trộn chung là: 1,5kg phân tự nhiên + 30 lít nước = hỗn hợp bùn lỏng có nồng độ cặn lơ lửng 5% Sản phẩm khí tạo ra 0,35-0,40 m3 khí/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas 10-15 ngày

b Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyên

liệu phải cấp là C và N; với carbon ở dạng là carbohydrate, còn nitơ ở dạng nitrate,

protein, amoniac Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cần phải đảm bảo

tỉ lệ tương ứng C/N Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N: 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí xảy ra tốt

  12 

c Các độc tố

Trong số các nhóm vi khuẩn tồn tại tự nhiên thì nhóm vi khuẩn sinh methane có mẫn cảm đặc biệt với oxy, chúng hoạt động trong môi trường kín khí tuyệt đối Hoạt động của các vi khuẩn này chịu ảnh hưởng đặc biệt đối với sự tác động của các anion, cation như SO42-, Cl-, NH4+, Na+, K+, Ca2+,… trong một phạm vi cho phép, nếu quá mức độ này sẽ gây ra ức chế hoặc tiêu diệt các vi khuẩn trong quá trình lên men Trong thực tế, để đảm bảo hầm Biogas hoạt động bình thường cần tránh tuyệt đối các chất có độc tố như thuốc trừ sâu, thuốc sát trùng, thuốc tẩy, dầu nhờn,… không được đưa vào hầm phân hủy

d pH

pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7 Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh

e Áp suất

Vi khuẩn tạo khí methane rất nhạy cảm với áp suất, chúng chỉ hoạt động bình thường trong điều kiện áp suất <40mm cột nước

f Nhiệt độ

Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một

là nhiệt độ trung bình (messophilic) biến động từ 20 – 45oC, và hai là nhiệt độ cao

(thermophilic) trong vùng nhiệt trên 45oC Nhiệt độ tối ưu là 35oC cho vùng thứ nhất và 55oC cho vùng thứ hai

Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép là 1oC trong mỗi ngày

Nhiệt độ dưới 10oC làm vi khuẩn hoạt động kém và khí sẽ không được sinh ra hoặc rất ít Tuy nhiên, chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu Ở Việt

  13 

Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 32oC là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh vật sinh khí methane

2.2.4 Ảnh hưởng của chất thải từ hầm ủ biogas

Chất thải sau quá trình ủ biogas thường có hai dạng là bùn thải và nước thải

a Bùn thải

Bùn thải là phần lắng đọng ở đáy bể biogas Bùn thải sau quá trình ủ biogas thường

có hàm lượng đạm cao (thường ở dạng đạm amon) và lượng kali, photpho cũng khá cao Do đó, bùn thải thường được sử dụng làm phân bón cho cây trồng Bùn thải có thể được bón trực tiếp cho cây hoặc sử dụng để ủ phân compost Thành phần của bùn thải cũng phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu ban đầu Khi chất liệu được xử

lý tốt thì bùn sẽ không có các chất gây hại cho cây trồng

K2O: 0,8–1,2 (Nguồn: Ngô Kế Sương – Nguyễn Lân Dũng, 1997)

Ngoài ra bùn thải còn được sử dụng làm thức ăn cho cá hoặc để nuôi tảo sau khi đã hòa loãng với nước theo một tỷ lệ thích hợp

b Nước thải

Nước thải sau quá trình ủ biogas thường bao gồm các chất hòa tan, các chất lơ lửng,

vi khuẩn gây bệnh và nấm Hầu hết các loại hầm biogas cỡ nhỏ đều hoạt động theo

cơ chế liên tục nên nước thải được đẩy ra ngoài thường xuyên Trong quá trình đẩy nước thải ra ngoài, chúng mang theo ra bên ngoài một số lượng nhỏ chất khô vào khoảng 6 – 10%

Nước thải này làm cho oxy hoà tan trong nước thấp, hàm lượng chất hữu cơ cao tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh phát triển mạnh Từ đây, chất độc hại sẽ theo chuỗi thức ăn tác động đến hệ sinh thái, độ đa dạng sinh học và làm mất đi vẻ mỹ quan của môi trường

  14 

2.3 Sơ lược về nước thải chăn nuôi sau bể Biogas

Nguồn nước thải chăn nuôi là một nguồn nước thải có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, virus, vi trùng, trứng giun sán… Nguồn nước này có nguy cơ gây ô nhiễm các tầng nước mặt, nước ngầm và trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc Đồng thời nó có thể lây lan một số bệnh cho con người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vì nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều mầm bệnh như:

Samonella, Leptospira, Clostridium tetani,…

Hiện nay, hầu hết các cơ sở chăn nuôi có đều chưa có những công trình xử lý chất thải thích hợp đạt quy chuẩn bảo vệ môi trường Công nghệ xử lý nước thải được đa

số cơ sở chăn nuôi sử dụng chủ yếu là Biogas Tuy nhiên, chỉ riêng công nghệ này thì khó đáp ứng được các quy chuẩn môi trường đối với nước thải sau xử lý Theo

số liệu điều tra hiện có của Viện Công nghệ sinh học và Môi trường, ĐH Nông Lâm Tp.HCM, nước thải chăn nuôi sau bể biogas (đã được xử lý với công nghệ biogas)

có hàm lượng các chất ô nhiễm vượt rất xa các giới hạn của quy chuẩn môi trường dành cho nước thải công nghiệp sau xử lý

Bảng 2.4 Thành phần nước thải chăn nuôi sau bể Biogas

Thiết bị phản ứng theo mẻ là một hệ thống xử lý bùn hoạt tính được áp dụng để xử

lý nước thải hữu cơ (Keller và cộng sự, 1997; Carucci và cộng sự, 1999; Laughlin

và cộng sự, 1999) Đối với một mẻ xử lý quá trình sục khí phản ứng và lắng bùn

được diễn ra ngay tại một đơn nguyên của hệ thống Đối với các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí thường được sử dụng, chẳng hạn như đối với bể Aerotank, các quy trình được tiến hành đồng thời trong các bể riêng biệt trong khi đó đối với SBR, các quá trình được tiến hành tuần tự trong cùng một bể

Ngoài chức năng xử lý nước thải hữu cơ, SBR còn có các ưu điểm rất đặc trưng so với các hệ thống khác là khả năng xử lý linh hoạt ứng với lưu lượng nước thải thay đổi và khả năng xử lý Nitơ Quá trình xử lý Nitơ trong SBR diễn ra bởi cả hai quá

trình nitrat hóa và khử nitrat (Metcalf & Eddy, 1991; Siria-nuntapiboon và Tondee,

2000) Một số nghiên cứu đã áp dụng để xử lý tải trọng cao với chỉ số MLSS cao (Berner và cộng sự, 2000; Kagiand Uygar và cộng sự, 2002; Wilen và Balmer, 1998) tuy nhiên SBR còn có một số nhược điểm như hiệu quả lắng bùn đối với một

số loại nước thải không tốt sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước đầu ra, tải trọng hữu cơ và thời gian lưu nước thay đổi cũng sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng

cũng như sự phát triển sinh khối của hỗn hợp bùn (Metcalf & Eddy, 1991)

  16 

Hình 2.1 Quá trình các bước của SBR

2.4.2 Tổng quan về quá trình xử lý hiếu khí của SBR

Các bước trong chu trình hoạt động của hệ thống như sau: 1 – làm đầy, 2 – khuấy trộn, 3 – sục khí, 4 – lắng, 5 – xả nước trong Có một số hệ thống SBR có chu trình hoạt động thay đổi ở bước 5 là giai đoạn nghỉ, ở chu trình sử dụng bước khuấy trộn chung với làm đầy hoặc chung với bước phản ứng gồm 2 pha khuấy trộn sau đó sục khí

Pha làm đầy có thể là các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thông khí nhẹ tùy thuộc vào loại nước thải cần xử lý Trạng thái tĩnh là do năng lượng đầu vào thấp và nồng

độ các chất nền còn cao ở cuối giai đoạn của quá trình xử lý trước, trạng thái khuấy trộn là để tạo thuận lợi cho quá trình khử nitrat khi còn sự hiện diện của nitrat trong quá trình xử lý trước, lúc này các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào và cần có điều kiện thiếu khí để xử lý nitơ hoặc kỵ khí để chuyển hóa phospho Trạng thái thông khí là do các phản ứng hiếu khí ban đầu làm giảm thời gian tuần hoàn và giữ nồng độ chất nền ở mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn

  17 

tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao Nếu không

có phản ứng sinh hóa xảy ra trong suốt pha làm đầy tĩnh, nồng độ chất nền trong bể SBR sẽ đạt tối đa ở pha này Nếu trạng thái khuấy trộn được chọn, nồng độ chất nền, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat sẽ thay đổi trong suốt quá trình Khi không có oxy hiện diện, nitrat sẽ trở thành tác nhân nhận điện tử và phản ứng sinh hóa thiếu khí sẽ làm giảm chất nền, quá trình khử nitrat diễn ra sẽ khử nitơ.Trạng thái thông khí được cung cấp trong suốt quá trình phản ứng, tốc độ phân hủy chất nền được giới hạn bởi tốc độ phản ứng sinh hóa Lúc này tại pha phản ứng diễn ra quá trình xử lý BOD, COD và nitrat hóa theo các phản ứng sinh học hiếu khí như sau:

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các hợp chất hữu cơ trong trạng thái có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH thích hợp Trong điều kiện hiếu khí NH4+-N và H2S cũng bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa

và sunfat hóa bởi các nhóm vi sinh vật theo phản ứng sau:

Nguyên tắc của quá trình phân hủy hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy, các sản phẩm tạo thành là CO2, H2O, NO3-, SO42- Các chất hữu cơ có trong nước thải như protein, tinh bột, chất béo,… sẽ bị thủy phân tạo thành các chất đơn giản hơn như các acid amin, acid hữu

cơ, đường đơn,… Các chất này sẽ tiếp tục chuyển hóa bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Cơ chế của quá trình xử lý hiếu khí gồm 3

giai đoạn (Eckenfelder và Conon D.J, 1961)

Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào:

  18 

Giai đoạn 2 (đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào:

Giai đoạn 3 (dị hóa): Hô hấp nội bào:

Khi không đủ các chất dinh dưỡng sẽ diễn ra quá trình hô hấp nội bào, các sinh vật

tự phân hủy

Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình hiếu khí: Quá trình hiếu khí chịu ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính thông qua chỉ số bùn Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn và ngược lại Ngoài ra nồng độ oxy cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình này Phải luôn đảm bảo DO ra khỏi bể lắng ≥ 2 mg/l Khác với quá trình kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn Ngoài ra trong nước thải cũng cần có các nguyên tố vi lượng và dinh dưỡng như K, Na, Mg,

Ca, Mn, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl,… Tùy theo hàm lượng cơ chất mà chất dinh dưỡng có mặt trong nước thải khác nhau Thông thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo tỷ lệ thích hợp: BOD : N : P = 100 : 5 : 1 hay COD : N : P = 150 :

5 : 1 pH và nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí Giá trị

pH tối ưu cho đa số các vi sinh vật là từ 6,5 – 8,5 pH< 5 sẽ thúc đẩy nấm phát triển,

pH > 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào,… Nước thải có nhiệt độ thích nghi đa số với các vi sinh vật từ 25 0C – 37 0C Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng cũng như các dạng chất hữu

cơ đầu vào

2.5 Tổng quan về nitrat hóa và khử nitrat hóa (thiếu khí)

2.5.1 Quá trình nitrat hóa

Quá trình Nitrat hóa được thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn Nitrosomonas (N.europasa, N.oligocar bogenes, Nitrosopira, Nitrosococcus, và Nitrosolobus) oxy

hóa amoni thành nitrit thông qua hydroxylamin NH2OH với xúc tác của enzym

ủy phân thà

ne được oeductase)

  20 

Sau quá trình nitrite hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrate hóa sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hoá NO2--N thành NO3--N (là sản phẩm cuối cuả quá trình nitrat hóa) Các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa cũng là vi khuẩn hóa vô

cơ tự dưỡng, vi khuẩn nitrate hóa thường gặp (gồm có 3 chi khác nhau): Nitrobacter

vinogradskii, Nitrobacter agilis ( thuộc phân lớp α-Proteobacteria), Nitrospina gracili , Nitrococcus mobilis (thuộc phân lớp β–Proteobacteria) Quá trình nitrate

hóa chỉ xảy ra trong điều kiện trong nước có đầy đủ oxy lúc đó thì nồng độ của

NO2--N không vượt quá 0,5 mg/L

Những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến động học quá trình nitrate hóa:

- pH

Một số nghiên cứu quan sát cho thấy rằng tốc độ nitrate hoá cực đại khi pH nằm trong khoảng 7.2 – 9.0 Ảnh hưởng của pH lên tốc độ nitrate hoá khác nhau được

báo cáo từ các nghiên cứu khác nhau như: U.S.EPA (1975) đề xuất phương trình

ảnh hưởng của pH lên tốc độ sinh trưởng riêng của vi khuẩn nitrate hóa trong hệ

thống kết hợp oxy hoá carbon và nitrate hoá khi pH < 7.2

μn,pH = μn;7.2× [1 – 0.833 × (7.2 − pH)]

Antoniou và cộng sự (1990) đã nghiên cứu quá trình nitrat hóa là cần thiết để xác

định sự phụ thuộc của tốc độ tăng trưởng tối đa cụ thể của vi khuẩn nitrat vào nhiệt

độ và độ pH, sử dụng các mẻ vi sinh nuôi cấy chưa thích nghi cho thấy tốc độ nitrate hoá ở pH = 6.9 bằng 84% tốc độ ở pH = 7.0 tại 200C Tốc độ nitrate hoá ở

pH = 6.8 bằng 42% tốc độ ở pH = 7.8 tại 150C, ở nhiệt độ thấp hơn thì ảnh hưởng của pH nhiều hơn

=

DO K

DO N

K

N

n

n n

0

max

μμ

  21 

Trong đó: DO là nồng độ oxy hoà tan, mg/L

Kn là hệ số bán bão hoà đối với nitơ, mg/L

Ko là hệ số bán bão hoà đối với DO, mg/L

Vi khuẩn nitrate hóa không bị ảnh hưởng và không bị ức chế khi nồng độ DO = 3 -

6 mg/L

Alician V Quinlan (1962) nghiên cứu tốc độ sinh trưởng của Nitrobacter winogradki ở nồng độ DO là 1 mg/L và nồng độ DO bão hoà ở nhiệt độ 30 – 350C cho thấy tốc độ sinh trưởng ở nồng độ DO là 1 mg/L thì thấp hơn ở nồng độ DO bão hoà và tuỳ thuộc vào nhiệt độ Tốc độ sinh trưởng ở nồng độ DO = 1mg/L bằng 97%; 80%; 70%; 58% ở nồng độ DO bão hoà tương ứng với các nhiệt độ 20; 23.7; 29; 350C

  22 

2.5.2 Quá trình khử nitrat

Quá trình khử Nitrat thường trải qua một số sản phẩm trung gian:

NO3- NO2 NO N2O N2

NO2- + 0,5O2 NO3

-Hình 2.3 Cơ chế chuyển hóa của vi khuẩn khử nitrat

Hệ thống kết hợp quá trình nitrat hóa – khử nitrat hóa: Quá trình loại Nitơ thông

thường được thực hiện bởi hai chủng vi khuẩn là Nitrosomonas và Nitrobacter để

sản xuất năng lượng Năng lượng thu được từ hai phản ứng trên hoặc từ phản ứng tổng hợp rất thấp: 57 kcal/mol cho phản ứng hình thành Nitrit và 19 kcal/mol cho phản ứng hình thành Nitrat, thấp hơn nhiều so với phản ứng oxy hóa do vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng thực hiện: năng lượng thu được từ phản ứng oxy hóa axit Axetic

là 207 kcal/mol Đó là lý do dẫn tới hiệu suất sinh khối của sinh vật tự dưỡng thấp

hoặc tốc độ phát triển của chúng chậm Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi

sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn Carbon vô cơ (chủ yếu là HCO3+, CO2) cùng các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng, ) để xây dựng tế bào Thành phần Nitơ được ưa chuộng nhất để xây dựng tế bào là Amoni.Thành phần oxy trong tế bào (C5H7O2N) được lấy từ HCO3- hoặc CO2

Nitrobacter

  23 

Oxy hóa Amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của cả quá trình

bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy

tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với Nitrobacter vì vậy nồng độ

Nitrit thường thấp hơn trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hóa Amoni thành Nitrit là bước quyết định tốc độ phản ứng oxy hóa đối với một hệ xử

lý hoạt động bình thường Mặc dù đã được phát triển từ lâu và hiện vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, nhưng hệ nitrat hóa – khử nitrat (N/DN) vẫn bộc lộ nhiều hạn chế, nhất là đối với việc xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao và carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân hủy bùn, nước sau bể biogas, vì cả hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat xảy ra trong hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí – thiếu khí,

tự dưỡng – dị dưỡng Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt, sự vận hành và kiểm soát quá trình hoạt động của hệ xử lý nitơ truyền thống trở nên phức tạp Trong khi ở giai đoạn nitrat hóa cần duy trì DO tối thiểu là

2 mg/L thì ở giai đoạn khử nitrat phải khống chế DO tới mức dưới 0,5 mg/L

Điều kiện DO > 0,6 mg/L, hoạt động oxy hoá Amoni của vi khuẩn Nitrosomonas đã

diễn ra bình thường Ngoài ra, quá trình Nitrite hoá còn có sự tham gia của các vi

khuẩn oxy hoá Amoni khác như: Nitrosopira, Nitrosococcus, Nitrosolobus

Để quá trình Nitrite hoá diễn ra hiệu quả cần tạo được môi trường sống thích hợp cho vi sinh vật oxy hoá Amoni thành Nitrite như: pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hoà tan, nồng độ Amoni, tỉ số COD/TKN, các hợp chất ức chế khác (kim loại nặng, Phenol, dầu mỡ, )

Một phần Amoni bị đồng hóa thành sinh khối tế bào Phản ứng tổng hợp sinh khối như sau:

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O Æ C5H7O2N + 5O2Quá trình Nitrat hóa tại SBR diễn ra trong quá trình phản ứng sục khí.Quá trình khử nitrat diễn ra trong quá trình làm đầy, khuấy trộn hoặc sục khí nhẹ

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate:

  24 

- Dạng và nồng độ chất nền chứa carbon

Chất nền chứa carbon tan, phân hủy sinh học nhanh thúc đẩy tốc độ khử nitrate nhanh nhất

- Oxy hòa tan (DO)

Quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự có mặt của DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quá trình

Theo các nghiên cứu của Skerman (1957, 1961) cho biết loài Pseudomonas bị ức

chế ở nồng độ DO = 0 – 0.3 mg/L

Tốc độ khử nitrate bị ức chế ở nồng độ DO = 0.2 mg/L chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrate ở nồng độ DO = 0 mg/L DO tăng lên 2 mg/L thì tốc độ khử nitrate chỉ bằng 10% ở nồng độ DO = 0 mg/L

- Độ kiềm và pH

Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrate làm tăng pH thay vì bị giảm trong phản ứng nitrate hóa

Vi khuẩn khử nitrate phát triển tốt ở pH từ 6.5 – 8.5

Phương trình sau đã được sử dụng cho mô hình ảnh hưởng pH lên tốc độ sinh trưởng riêng của vi khuẩn khử nitrate:

μX,NO = μX,NOmax[1/(1-105.5 - pH –10pH - 9)]

Tại pH = 10 và pH = 6 thì tốc độ khử nitrate chỉ còn lại vài phần trăm so với vùng tối ưu Vi khuẩn khử nitrate có khả năng thích nghi với môi trường pH với nhịp độ chậm

Trong vùng pH thấp có khả năng xuất hiện các khí có độc tính cao đối với vi sinh vật từ quá trình khử nitrate như N2O, NO Chúng có khả năng đầu độc vi sinh vật với nồng độ thấp

- Nhiệt độ