Đề tài Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam

MỤC LỤC Danh mục từ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ADP: Adenozin Diphotphat ATP: Adenozin Triphotphat BOD: Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh hóa COD: Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học DO: Dissolved Oxygen Oxy hòa tan F/M Food / Microorganisms Tỷ lệ thức ăn / vi sinh vật IFPRI: Viện nghiên cứu chính sách lương thực quốc tế MARD: Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam SBR: Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động gián đoạn SVI: Sludge Volume Index Chỉ số bùn – thể tích 1g bùn chiếm chỗ ở trạng thái lắng TKN Tổng Nitơ Kjehdahl TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TVTS Thực vật thủy sinh VFA Volatile Faty acid Axit béo dễ bay hơi VLL Vật liệu lọc VSV Vi sinh vật UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Bể với lớp bùn kỵ khí dòng hướng lên XLNT Xử lý nước thải Danh mục bảng Bảng 1.1. Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến hết năm 2006 9 Bảng 1.2. Tốc độ tăng trưởng nông nghiệp hàng năm 9 Bảng 1.3. Các bệnh điển hình liên quan đến chất thải chăn nuôi 13 Bảng 1.4. Khối lượng phân và nước tiểu của gia súc thải ra trong 1 ngày đêm 15 Bảng 1.5. Lượng chất thải chăn nuôi ước tính năm 2008 16 Bảng 1.6. Thành phần (%) của phân gia súc gia cầm 16 Bảng 1.7. Một số thành phần vi sinh vật trong chất thải rắn chăn nuôi lợn 17 Bảng 1.8. Thành phần trung bình của nước tiểu các lọai gia súc 17 Bảng 1.9. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung 18 Bảng 1.10. Phương pháp xử lý và sử dụng chất lỏng tại các hệ thống 21 Bảng 2.1. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas 27 Bảng 2.2. Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp 28 Bảng 2.3. Năng suất khí sinh học từ quá trình lên men các loại nguyên liệu 29 Bảng 2.4. Tỷ lệ C/N trong phân gia súc gia cầm 29 Bảng 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khí 30 Bảng 2.6. Các thông số kỹ thuật đối với các công trình xử lý kỵ khí 34 Bảng 2.7. Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu 41 Bảng 2.8. Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường 42 Bảng 2.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí 43 Bảng 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat hóa 44 Bảng 2.11. Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa 54 Bảng 2.12. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn 56 Bảng 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sau bể Biogas 62 Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (sau bể thiếu khí) 63 Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (sau bể lọc SH) 64 Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (tuần hoàn 20%) 65 Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (tuần hoàn 20%) 65 Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (Sau hồ sinh học) 67 Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (tuần hoàn 20%) 67 Bảng 3.8: Đánh giá tổng hợp hiệu quả xử lý và kết quả sau các quá trình 68 Bảng 3.9. Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas 70 Bảng 3.10:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 6 72 Bảng 3.11:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 7 72 Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 8 73 Bảng 3.13. Tính toán lượng thải và xác định dung tích bể Biogas 75 Bảng 3.14. Các loại bùn nuôi cấy ban đầu bể UASB 81 Bảng 3.15. Các thông số thiết kế hồ sinh học 83 Bảng 3.16. So sánh các sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 85 Danh mục hình Hình 1.1. Mục đích sử dụng phân trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 19 Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 20 Hình 1.3. Mô hình quản lý chất thải rắn chăn nuôi trên thế giới 22 Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí. Số liệu chỉ %COD trong từng giai đoạn 25 Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bể UASB 33 Hình 2.3. Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học 39 Hình 2.4. Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 43 Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình A2/O 48 Hình 2.6. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình Bardenpho 5 giai đoạn 49 Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình UCT 49 Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình VIP 50 Hình 2.9. Sơ đồ hoạt động của bể SBR 50 Hình 2.10. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P trong mương oxy hóa 50 Hình 2.11: Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4+ 52 Hình 2.12. Sơ đồ xử lý P bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn 55 Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 1 61 Hình 3.2. Nồng độ các chất ô nhiễm tại từng giai đoạn thời gian 68 Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 2 70 Hình 3.4. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể thiếu khí 73 Hình 3.5. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể aerotenk 74 Hình 3.6. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại ao sinh học 74 Hình 3.7. Cấu tạo bể UASB 78 Hình 3.8. Tấm chắn khí trong bể UASB 79 Hình 3.9. Tấm hướng dòng trong bể UASB 80 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 dùng hàng ngày của mọi người dân trong xã hội mà còn là nguồn thu nhập quan trọng của hàng triệu người dân hiện nay. Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quan trọng đối với nước ta khi có tới hơn 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp. Sự gia tăng của các sản phẩm nông nghiệp kết hợp với nhu cầu về thực phẩm ngày càng cao của cuộc sống đã thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển mạnh mẽ. Sự phát triển bùng nổ của ngành chăn nuôi để đáp ứng các nhu cầu là một tất yếu. Công nghiệp hóa chăn nuôi có thể là hệ quả tất yếu của chuỗi thực phẩm liên kết theo chiều dọc và cung ứng cho các cửa hàng bán lẻ lớn, nhưng cũng có thể xảy ra một cách độc lập. Khi các nước tiến hành công nghiệp hóa họ đi theo mô hình tổ chức vùng chuyên canh. Chăn nuôi truyền thống dựa vào nguồn thức ăn sẵn có của địa phương như đồng cỏ tự nhiên và phụ phẩm cây trồng. Những nguồn thức ăn sẵn có trên, giải thích sự phân bố của ngành chăn nuôi gia súc nhai lại. Trong lúc đó phân bổ chăn nuôi lợn và gia cầm lại sát với dân cư vì chúng chuyển hóa các vật phế thải thành thịt và trứng. Ví dụ, ở Việt Nam, nước mới bắt đầu công nghiệp hóa 90% mô hình chăn nuôi gia cầm đều gắn với phân bố dân cư (Gerber và cộng sự - 2005). Khi còn chăn nuôi nhỏ lẻ, kết hợp với việc sử dụng chất thải từ chăn nuôi cho hoạt động sản xuất nông nghiệp thì chất thải chăn nuôi từ các hộ gia đình gần như không phải là một mối hiểm họa đối với môi trường. Phát triển chăn nuôi bền vững, nhất là chăn nuôi lợn hàng hóa như thế nào trong hoàn cảnh cuộc sống của phần lớn các hộ nông dân còn chật vật khó khăn, đại bộ phận' người dân chăn nuôi theo kinh nghiệm; thiếu kiến thức chuyên môn, ít quan tâm về thông tin thị trường, nếu có thì thiếu cụ thể; hiểu biết về sản xuất hàng hóa chưa trở thành tiềm thức; kinh tế phát triển chưa đồng đều giữa các vùng,... là những rào cản trong phát triển chăn nuôi lợn hàng hóa hiện nay. Khi công nghiệp hóa chăn nuôi cộng với sự gia tăng mạnh mẽ về số lượng đàn gia súc thì chất thải từ hoạt động chăn nuôi của các trang trại, gia trại đã làm cho môi trường chăn nuôi đặc biệt là môi trường xung quanh bị ô nhiễm trầm trọng, nó đã gây nên một làn sóng mới phản đối các trang trại chăn nuôi từ phía người dân ở gần các trang trại. Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi [1], hầu hết các hộ chăn nuôi 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 [2]. Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa coliform, e.coli, COD..., và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Hiện nay với sự hội nhập quốc tế kèm với nó là sự gia tăng những quy định về bảo vệ môi trường, ý thức ngày càng được nâng cao của cộng đồng về các vấn đề môi trường thì vấn đề môi trường nói chung và môi trường chăn nuôi nói riêng đã nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng. Trên thế giới môi trường chăn nuôi đã được đánh giá một cách khá toàn diện, một trong số đó là các nghiên cứu về xử lý chất thải chăn nuôi.Tại Việt Nam, mặc dù đã phần nào cảm nhận được tác hại về môi trường do chăn nuôi gây ra xong gần như chưa có một nghiên cứu đầy đủ nào về quản lý, xử lý chất thải chăn nuôi. Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ ngành hóa môi trường tác giả xin đưa ra: “Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam” với mục đích lựa chọn công nghệ tối ưu để xử lý triệt để chất thải lỏng trong quá trình chăn nuôi lợn ở Việt Nam. Đảm bảo nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn quy định, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đồng thời góp phần tăng năng suất và chất lượng chăn nuôi lợn theo định hướng phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1 Tình hình chăn nuôi ở Việt Nam 1.1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn Theo đánh giá của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO): Châu Á sẽ trở thành khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất. Chăn nuôi Việt Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu. Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh (Bình quân giai đoạn 2001-2006 đạt 8,9%). Bảng 1.1. Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến hết năm 2006 Miền Số trang trại lợn Số trang trại gia cầm Số trang trại bò Số trang trại trâu Số trang trại dê Tổng số Cả nước 7.475 2.837 6.405 247 757 17.721 Miền Bắc 3.069 1.274 1.547 222 201 6.313 Miền Nam 4.406 1.563 4.858 25 556 11.408 Bảng 1.2. Tốc độ tăng trưởng nông nghiệp hàng năm (§¬n vÞ: %) Năm Ngành 1986-1990 1990-1996 1997-2005 1986-2005 2006-2010 nông nghiệp khác 3,4 6,0 5,5 5,2 4,1 trồng trọt 3,4 6,1 5,4 5,2 5,5 chăn nuôi 3,4 5,8 6,7 5,6 8,5 dịch vụ 4,1 4,6 2,3 3,6 4,2 Nguồn: tctk- viện kinh tế nông nghiệp việt nam-2009 Trong những năm gần đây xu hướng chăn nuôi nhỏ lẻ đã giảm đi đáng kể. Tỷ lệ số hộ nuôi 1 con lợn giảm đi rõ rệt từ 45% năm 1994 xuống dưới 30% năm 2001. tuy nhiên, tỷ lệ số hộ nuôi 2 con lợn năm 2001 vẫn chiếm 67% tổng số hộ (so với 82% năm 1994) [21]. Quy mô phát triển chăn nuôi của các hộ đã lớn hơn nhưng vẫn còn nhỏ, tính chuyên môn hoá chưa cao. Trong xu thế chuyên môn hóa sản xuất, hình thức chăn nuôi tập trung ngày càng phổ biến ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới. Hiện nay, số lượng trại chăn nuôi quy mô lớn ngày càng tăng. Các trại chăn nuôi lợn tập trung có trên 400 - 500 đầu lợn có mặt thường xuyên trong chuồng nuôi. Tính đến năm 2006 cả nước có: 17.721 trang trại, chưa kể các trang trại chăn nuôi các loại vật nuôi khác như thỏ, lợn rừng, nhím và các loại động vật sống trong nước (cá sấu,... ). Trong đó: có 7.475 trang trại chăn nuôi lợn, (miền Bắc: 3.069, miền Nam: 4.406); với 2.990 trang trại nuôi lợn nái. Số trang trại chăn nuôi gia cầm là 2.837, miền Bắc: 1.274, miền Nam: 1.564); Số trang trại chăn nuôi bò là 6.405, trong đó có 2.011 trang trại chăn nuôi bò sữa (miền Bắc: 3.069. miền Nam: 4.406); Số trang trại chăn nuôi trâu là: 247 miền Bắc: 222, miền Nam: 27); Số trang trại chăn nuôi dê là: 757 miền Bắc: 201, miền Nam: 556). Hình 1.1. Tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm về số đầu con 1.1.2. Định hướng phát triển chăn nuôi lợn tại Việt Nam Trong số các nước thuộc khối asean, Việt Nam là nước chịu áp lực về đất đai lớn nhất. Tốc độ tăng dân số và quá trình đô thị hóa đã làm giảm diện tích đất nông nghiệp. Để đảm bảo an toàn về lương thực và thực phẩm, biện pháp duy nhất là thâm canh chăn nuôi trong đó chăn nuôi lợn là một thành phần quan trọng trong định hướng phát triển. Theo quyết điịnh số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm 2020 thì: + Đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phương thức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lượng 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; + 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 lý chất 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 2015-2020 đạt khoảng 5-6% năm 1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ rất nhanh nhưng chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại và kỹ thuật chăn nuôi. Do đó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng. Ô nhiễm môi trường không những ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, năng suất chăn nuôi mà còn ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường sống xung quanh. Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng. Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô hấp, tiêu hoá, do trong chất thải chứa nhiều VSV gây bệnh, trứng giun. 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 sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người. Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra. Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi [1], hầu hết các hộ chăn nuôi 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 [2]. Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa Coliform, E.coli, COD..., và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Ô nhiễm môi trường khu vực trại chăn nuôi do sự phân huỷ các chất hữu cơ có mặt trong phân và nước thải của lợn. Sau khi chất thải ra khỏi cơ thể của lợn thì các chất khí đã lập tức bay lên, khí thải chăn nuôi bao gồm hỗn hợp nhiều loại khí trong đó có trên 40 loại gây mùi, chủ yếu là H2S và NH3. Trong điều kiện kỵ khí cộng với sự có mặt của vi khuẩn trong phân và nước thải xảy ra quá trình khử các ion sunphát (SO42-) thành sunphua (S2-). Trong điều kiện bình thường thì H2S là một trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề về màu và mùi. Nồng độ S2- tại hố thu nước thải chăn nuôi lợn có thể lên đến 330 mg/l cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn (theo TCVN 5945-2005 cột C nồng độ sunfua là 1,0mg/l) [2]. Việc kiểm soát chất thải chăn nuôi là một nội dung cấp bách cần được các cấp quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm để: hạn chế ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng như không kìm hãm sự phát triển của ngành. 1.1.4. Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường đến năng suất chăn nuôi Tình hình dịch bệnh bùng phát trên quy mô rộng ngày càng tăng, dịch bệnh có nhiều nguyên nhân và từ nhiều nguồn khác nhau: do vius, vi khuẩn, ký sinh trùng. Vì vậy để hạn chế các nguyên nhân gây bệnh trên, ô nhiễm môi trường chuồng nuôi là vấn đề cấp bách cần giải quyết hiện nay. Bệnh và các loại vi khuẩn gây bệnh trên lợn: bệnh tiêu hóa do vi khuẩn E.coli gây ra ỉa chảy ở lợn con, bệnh do ký sinh trùng gây ra làm lợn chậm lớn, còi cọc... bên cạnh đó chất lượng không khí trong chuồng nuôi cũng rất quan trọng, gia súc hít vào phổi những chất độc hại gây viêm nhiễm đường hô hấp làm ảnh hưởng đến sự tăng trưởng. Phân và nước thải không được thu gom xử lý sẽ phân hủy gây ô nhiễm môi trường không khí ảnh hưởng đến năng suất chăn nuôi, môi trường chăn nuôi bao gồm các yếu tố: khí amoniac, hyđro sunfua, nhiệt độ, độ ẩm, bụi và các khí gây mùi hôi thối khác. Bảng 1.3. Các bệnh điển hình liên quan đến chất thải chăn nuôi Tên mầm bệnh Loại Đường ô nhiễm Gây bệnh nđtp* vật nuôi người e. coli vi trùng nước, thức ăn + + + salmonella vi trùng nước, thức ăn + + + leptospira vi trùng nước, thức ăn - + + dịch tả lợn virut nước, thức ăn - + - ascarissuum ký sinh trùng nước, thức ăn - + + bệnh ngoài da nấm, kst nước, thức ăn. da niêm mạc - + + c. parium kst nước, thức ăn - + + (*nđtp: ngộ độc thực phẩm) Theo nghiên cứu của viện chăn nuôi [26] về ảnh hưởng của môi trường tới năng suất chăn nuôi cho thấy, nếu lợn được chăn nuôi trong một môi trường không ô nhiễm có thể tăng trọng cao hơn nuôi trong môi trường ô nhiễm bình quân 34g/ngày/con (tăng 7% so với chuồng nuôi bị ô nhiễm), tỷ lệ lợn mắc bệnh ở chuồng ô nhiễm cũng cao hơn 7% so với chuồng không ô nhiễm. Điều đó cho thấy môi trường có ý nghĩa rất lớn đến năng suất chăn nuôi và công tác kiểm soát dịch bệnh đối với vật nuôi. 1.1.5. Tình hình dịch bệnh trong ngành chăn nuôi lợn và thiệt hại kinh tế Dịch lở mồm long móng (LMLM): các triệu chứng điển hình như trâu, bò, lợn chảy nhiều nước bọt, loét niêm mạc lưỡi, lở mồm và tụt móng. Ở nước ta bệnh LMLM đã xuất hiện dai dẳng trong nhiều năm qua và khó tiêu trừ, biện pháp duy nhất là tiêu huỷ gia súc trong khu vực dịch bệnh. Đến tháng 2 năm 2007 dịch này vẫn xuất hiện ở nhiều tỉnh và phải thực hiện tiêu huỷ hàng ngàn con lợn, bò [29]. Dịch bệnh tai xanh của lợn (rối loạn hô hấp và sinh sản - hội chứng PRRS) triệu chứng: bỏ ăn, sốt, tai chuyển màu xanh và chết. bệnh tai xanh do virus lelytad tấn công và phá hủy đại thực bào (cơ quan có chức năng tiêu diệt vi khuẩn), nên lợn rất dễ chết vì bị bội nhiễm do vi khuẩn gây bệnh tả, tụ huyết trùng, hen suyễn…một số bệnh tích thường gặp: não sung huyết, phổi viêm xuất huyết, gan sưng... Ở Việt Nam, bệnh đã xuất hiện tại miền nam nhiều năm trước đây, vào tháng 3/2007 tại Hải Dương xuất hiện dịch bệnh tai xanh, sau đó đã có thêm gần 30.000 con lợn tại một số tỉnh đồng bằng Bắc bộ bị nhiễm bệnh. Vào tháng 3-4/2008 dịch bệnh tai xanh lại bùng phát ở 11 tỉnh thành ở cả 3 miền trong cả nước, số lợn mắc bệnh phải tiêu hủy là 26.300 con [29]. Để chữa trị bệnh tai xanh cho lợn có thể sử dụng thuốc kháng sinh cho lợn, tuy nhiên đã xảy ra hiện tượng nhờn thuốc. Biện pháp tối ưu nhất để ngăn chặn sự lây lan dịch bệnh là khoanh vùng ổ dịch và tiêu hủy lợn bệnh. Dịch bệnh đối với vật nuôi ở nước ta mấy năm gần đây liên tục bùng phát, hết dịch bệnh này đến dịch bệnh khác, gây tổn thất lớn cho nền kinh tế và nhiều chủ trại chăn nuôi bị phá sản. Các dịch bệnh sau khi được ngăn chặn có nguy cơ bùng phát trở lại rất cao, mặc dù các cấp các ngành và nhân dân đã mất nhiều công sức và tiền của để phòng dịch và dập dịch. Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững lâu dài, cần phải đặt công tác môi trường chuồng trại chăn nuôi lên hàng đầu. 1.2. Tổng quan về chất thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý chất thải chăn nuôi lợn ở Việt Nam 1.2.1. Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn Chất thải chăn nuôi chia ra thành 3 nhóm: + Chất thải rắn: Phân, chất độn, lông, chất hữu cơ tại các lò mổ... + Chất thải lỏng: nước tiểu, nước rửa chuồng, tắm rửa gia súc, vệ sinh lò mổ, các dụng cụ… + Chất thải khí: CO2, NH3, CH4… Chất thải rắn và nước thải. Chất thải rắn chủ yếu là phân, rác, thức ăn thừa của vật nuôi.... Chất thải rắn chăn nuôi lợn có độ ẩm từ 56-83%, tỷ lệ N, P, K cao, chứa nhiều hợp chất hữa cơ, vô cơ và một lượng lớn các vi sinh vật, trứng các ký sinh trùng có thể gây bệnh cho người và vật nuôi. Tùy theo đặc điểm chuồng nuôi và hình thức thu gom chất thải, chất thải chăn nuôi lợn bao gồm: chất thải rắn, nước tiểu, nước thải chăn nuôi (hỗn hợp phân, nước tiểu, nước rửa chuồng..). 1.2.1.1. Chất thải rắn - Phân Là những thành phần từ thức ăn nước uống mà cơ thể gia súc không hấp thụ được và thải ra ngoài cơ thể. Phân gồm những thành phần: - Những dưỡng chất không tiêu hóa được của quá trình tiêu hóa vi sinh. - Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa (trypsin, pepsin …), các mô tróc ra từ các niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài. - Các loại vi sinh vật trong thức ăn, ruột bị thải ra ngoài theo phân. a. Lượng phân: Lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần ăn. Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6-8% trọng lượng của vật nuôi [2]. Lượng phân thải trung bình của lợn trong 24 giờ được thể hiện dưới bảng sau: Bảng 1.4. Khối lượng phân và nước tiểu của gia súc thải ra trong 1 ngày đêm Loại gia súc Lượng phân (kg/ngày) Nước tiểu (kg/ngày) Trâu bò lớn 20-25 10-15 Lợn (<10kg) 0,5-1 0,3-0,7 Lợn (15-45kg) 1-3 0,7-2,0 Lợn (45-100kg) 3-5 2-4 Bảng 1.5. Lượng chất thải chăn nuôi ước tính năm 2008 TT Loại vật nuôi Tổng số đầu con năm 2008 (1.000.000 con) Chất thải rắn bình quân (kg/con/ngày) Tổng chất thải rắn/ năm (tr tấn) 1 Bò 6.33 10 23.13 2 Trâu 2.89 15 15.86 3 Lợn 26.70 2 19.49 4 Gia cầm 247.32 0.2 18.05 5 Dê 1.34 1.5 0.73 6 Cừu 0.08 1.5 0.04 7 Ngựa 0.12 4 0.17 8 Hươu, nai 0.04 2.5 0.03 9 Chó 8.07 1 2.95 Tổng cộng 80.45 b. Thành phần trong phân lợn Thành phần các chất trong phân lợn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Thành phần dưỡng chất của thức ăn và nước uống; - Độ tuổi của lợn (mỗi độ tuổi sẽ có khả năng tiêu hóa khác nhau); - Tình trạng sức khỏe vật nuôi và nhu cầu cá thể: nếu nhu cầu cá thể cao thì sử dụng dưỡng chất nhiều thì lượng phân thải sẽ ít và ngược lại. Bảng 1.6. Thành phần (%) của phân gia súc gia cầm Loại phân Nước Nitơ P2O5 K2O CaO MgO Lợn 82.0 0.60 0.41 0.26 0.09 0.10 Trâu, bò 83.14 0.29 0.17 1.00 0.35 0.13 Gà 56.0 1.63 0.54 0.85 2.40 0.74 Ngoài ra, trong phân còn có chứa nhiều loại vi khuẩn, virus và trứng ký sinh trùng, trong đó vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriacea chiếm đa số với các giống điển hình như Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella. Trong 1 kg phân có chứa 2000-5000 trứng giun sán gồm chủ yếu các loại: Ascaris suum, Oesophagostomum, Trichocephalus (Nguyễn Thị Hoa Lý, 2004). Bảng 1.7. Một số thành phần vi sinh vật trong chất thải rắn chăn nuôi lợn Chỉ tiêu Đơn vị Số lượng Coliform MNP/100g 4.106-108 E. Coli MPN/100g 105-107 Streptococus MPN/100g 3.102-104 Salmonella Vk/25ml 10-104 Cl. Perfringens Vk/ml 10-102 Đơn bào MNP/10g 0-103 1.2.1.2. Nước phân Nước phân chuồng là hỗn hợp phân, nước tiểu và nước rửa chuồng. Vì vậy nước phân chuồng rất giàu chất dinh dưỡng và có giá trị lớn về mặt phân bón. Trong 1m3 nước phân có khoảng: 5-6kg N nguyên chất; 0,1kg P2O5; 12kg K2O (Bergmann, 1965). Nước phân chuồng là nghèo lân, giàu đạm và rất giàu Kali. Đạm trong nước phân chuồng 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. Bảng 1.8. Thành phần trung bình của nước tiểu các lọai gia súc TT Loại gia súc, gia cầm Thành phần trong nước tiểu (%) Nước CHC N P2O5 K2O CaO MgO Cl 1 Trâu bò 92,5 3,0 1,0 0,01 1,5 0,15 0-0,1 0,1 2 Ngựa 89,0 7,0 1,2 0,05 1,50 0,02 0,24 0,2 3 Lợn 94,0 2,5 0,5 0,05 1,0 0-0,2 0-0,1 0,1 1.2.1.3. Nước thải 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, N, P và VSV gây bệnh. 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 [1]: Các chất hữu cơ: hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% bao gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa. Các chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-,… 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 heo thường chứa hàm lượng N và P rất cao. Hàm lượng N-tổng = 200 – 350 mg/l trong đó N-NH4 chiếm khoảng 80-90%; P_tổng = 60-100mg/l. Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh. Bảng 1.9. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Trại Đan Phuợng TTNC Lợn Thụy Phương Trại lợn Tam Điệp Trại Cty Gia Nam Trại Hồng Điệp TB±SD pH 7,15 7,26 7,08 6,78 6,83 7,02 ± 0,24 BOD5 mg/l 1339,4 1080,70 882,3 783,4 1221,2 1061,40 ± 278 COD mg/l 3397,6 2224.5 1924,8 1251,6 2824.5 2324,60 ± 1073 TDS mg/l 4812,8 4568.44 3949,56 4012,8 4720.4 4412,80 ± 400 P_tổng mg/l 99,4 80.2 69,4 57,4 85.6 78,40 ± 21 N_tổng mg/l 332,8 280,1 250,9 204,8 275,4 268,80 ± 64 Chất thải lỏng trong chăn nuôi (nước tiểu vật nuôi, nước tắm, nước rửa chuồng, vệ sinh dụng cụ, ...) ước tính khoảng vài chục nghìn tỷ m3 /năm. 1.2.1.3. Khí thải Chất thải khí: Chăn nuôi phát thải nhiều loại khí thải (CO2, NH3, CH4, H2S, ... thuộc các loại khí nhà kính chính ) do hoạt động hô hấp, tiêu hóa của vật nuôi, do ủ phân, chế biến thức ăn, ... ước khoảng vài trăm triệu tấn/ năm. 1.2.2. Tình hình về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam 1.2.2.1. Chất thải rắn Công tác quản lý chất thải trong chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn, việc sử dụng phân lợn trong nông nghiệp vẫn còn bị hạn chế do phân lợn không giống phân bò hay gia cầm khác. Phân lợn ướt và hôi thối nên khó thu gom và vận chuyển, phân lợn là phân “nóng” khó sử dụng, hiệu quả không cao và có thể làm chết hoặc mất năng suất cây trồng (sầu riêng mất mùi, nhãn không ngọt...). Theo điều tra tình hình quản lý chất thải chăn nuôi ở một số huyện thuộc TP. HCM và một số tỉnh lân cận [2] chỉ có 6% số hộ nuôi lợn có bán phân cho các đối tượng sử dụng để nuôi cá và làm phân bón, khoảng 29% số hộ chăn nuôi lợn sử dụng phân cho bể biogas và 9% hộ dùng phân lợn để nuôi cá. Hình 1.1. Mục đích sử dụng phân trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 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 ở Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: Chất thải rắn bao gồm chủ yếu là phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa và đôi khi là xác gia súc, gia cầm chết. Kết quả điều tra hiện trạng quản lý chất thải chăn nuôi cho thấy 100% số cơ sở chăn nuôi đều chưa tiến hành xử lý chất thải rắn trước khi chuyển ra ngoài khu vực chăn nuôi. Các cơ sở này chỉ có khu vực tập trung chất thải ở vị trí cuối trại, chất thải được thu gom và đóng bao tải để bán cho người tiêu thụ làm phân bón hoặc nuôi cá. Các bao tải này được tái sử dụng nhiều lần, không được vệ sinh tiêu độc nên nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và lây nhiễm lan truyền dịch bệnh từ trang trại này sang trang trại khác là rất cao. Đối với phương thức nuôi lợn trên sàn bê tông phía dưới là hầm thu gom thì không thu được chất thải rắn. Toàn bộ chất thải, bao gồm phân, nước tiểu, nước rửa chuồng được hòa lẫn và dẫn về bể biogas. 1.2.2.2. Chất thải lỏng 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.ngđ. 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. Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 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: 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. 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 tra của cho thấy hệ thống xử lý nước thải tại các trang trại trên là: Nước thải à bể Biogas à hồ sinh học à thải ra môi trường, hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn khác cũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên [1]. Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó khăn. Nhu cầu sử dụng chất thải chăn nuôi lợn trong nông nghiệp còn rất thấp. Vì vậy cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải quyết vấn đề quản lý và khắc phục sự ô nhiễm môi trường do một lượng chất thải chăn nuôi gây ra. Bảng 1.10. Phương pháp xử lý và sử dụng chất lỏng tại các hệ thống Chỉ tiêu Đơn vị VAC AC VC C Chất thải được xử lý trang trại xử lý bằng biogas % 42,5 24,39 64,70 73,68 m3 3,87 ±5,43 4,41±1,28 3,73±1,83 3,98 ±2,98 trang trại xử lý bằng ao lắng % 11,25 - - - m3 5,59 ±2,86 - - - Chất thải không được xử lý trang trại đưa xuống ao cá % 63,75 75,60 - - m3 4,99 ±1,28 6,58±4,32 - - trang trại đổ ra môi trường % 11,25 12,19 57,14 63,15 m3 2,22 ±2,23 4,91±2,95 3,98 ±5,75 3,50±5,40 1.2.3. Tổng quan về quản lý chất thải chăn nuôi lợn trên thế giới Việc xử lý chất thải chăn nuôi lợn 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 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. Cơ sở chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ Nuôi thả, chuông hở Hệ thống nuôi trên sàn Kho chứa chất thải rắn ủ phân compost Bể chứa, hồ chứa nước thải, hệ thống xử lý yếm khí, bể biogas dung tích lớn.. Kênh mương tiếp nhận nước thải Land Application Trang trại lớn quy mô công nghiệp Dòng nước thải Dòng chất thải rắn Ruộng, cánh đồng Hình 1.3. Mô hình quản lý chất thải rắn chăn nuôi trên thế giới Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi đã được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua. Tại Hà Lan, nước thải chăn nuôi được xử lý bằng công nghệ SBR qua 2 giai đoạn: giai đoạn hiếu khí chuyển hóa thành phần hữu cơ thành CO2, nhiệt năng và nước, amoni được nitrat hóa thành nitrit và/hoặc khí nitơ; giai đoạn kỵ khí xảy ra quá trình đề nitrat thành khí nitơ. Phốtphat được loại bỏ từ pha lỏng bằng định lượng vôi vào bể sục khí (Willers et al.,1994). Tại Tây Ban Nha, mước thải chăn nuôi được xử lý bằng quy trình VALPUREN (được cấp bằng sáng chế Tây Ban Nha số P9900761). Đây là quy trình xử lý kết hợp phân hủy kỵ khí tạo hơi nước và làm khô bùn bằng nhiệt năng được cấp bởi hỗ hợp khí sinh học và khí tự nhiên. Tại Thái Lan, công trình xử lý nước thải sau Biogas là UASB. Đây là công trình xử lý sinh học kỵ khí ngược dòng. Nước thải được đưa vào từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng các bông bùn mịn. Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ diễn ra khi nước thải tiếp xúc với các bông bùn này. Một phần khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí (CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính với các bông bùn và kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bùn, tạo sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước. Khi lên đến đỉnh bể, các bọt khí được giải phóng với khí tự do và bùn sẽ rơi xuống. Để tăng tiếp xúc giữa nước thải với các bông bùn, lượng khí tự do sau khi thoát ra khỏi bể được tuần hoàn trở lại hệ thống. CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau: - Phương pháp xử lý cơ học. - Phương pháp xử lý hóa lý. - Phương pháp xử lý sinh học. Trong các phương pháp trên, xử lý sinh học là phương pháp chính, các công trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý. 2.1. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý 2.1.1. Xử lý cơ học Mục đích là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, lắng cặn. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng... để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều kiện xử lý và giảm khối tích các công trình phía sau. 2.1.2. Xử lý hóa lý Sau khi xử lý cơ học, nước thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kích thước nhỏ, có thể dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) với nước thải chăn nuôi lợn: 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 này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi. Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để loại bỏ cặn trong nước thải chăn nuôi lợn, tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành cao nên không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi. 2.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí 2.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí Vào những năm 19 quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đó phương pháp này được áp dụng cho XLNT 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; Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp oxy như quá trình xử lý hiếu khí); Tạo ra một nguồn năng lượng mới có thể sử dụng (khí sinh học – Biogas); Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn, kỵ khí tiếp xúc... Bên cạnh các ưu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhược điểm sau: Nhạy cảm với môi trường (to, pH, nồng độ kim loại nặng…); Phát sinh mùi; Tốc độ phát triển sinh khối chậm. Trong công nghệ kỵ khí cần lưu ý 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 phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt. Sơ đồ biểu diễn tổng quát quá trình xử lý kỵ khí [41]: ChÊt h÷u c¬ kh«ng tan, protein, hydrat carbon, lipit Acid amin, ®­êng Acid bÐo 21 40 34 5 39 Hîp chÊt trung gian (propionat, butyrat,…) Acetate Hydro 66 20 11 11 12 8 34 11 23 Methane 70 30 Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí. Số liệu chỉ %COD trong từng giai đoạn Giai đoạn 1- (giai đoạn thủy phân): Nước thải chăn nuôi lợn có chứa nhiều polyme hữu cơ phức tạp và không tan trong nước (protein, chất béo, carbon hydrat, cellulose, ligin..). Trong giai đoạn thủy phân những polyme hữu cơ bị bẻ gãy bởi các enzym ngoại bào do VSV thủy phân sinh ra để tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn. Phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành acid amin, carbon hydrat thành đường đơn và chất béo thành acid hữu cơ mạch dài và glyxerin. Nhưng phản ứng thủy phân cellulose và các chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản xảy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 và các giai đoạn sau, yếu tố này cũng sẽ hạn chế tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí. Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố môi trường khác (tốc độ thủy phân xảy ra rất chậm khi nhiệt độ<200C)... Giai đoạn 2 - giai đoạn acid hóa: các hợp chất hữu cơ đơn giản từ quá trình thủy phân được các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2. Giai đoạn 3 - giai đoạn acetate hóa: Sản phẩm của quá trình acid hóa được tiếp tục chuyển hóa thành nguyên liệu trực tiếp cho quá trình methane hóa. Trong sơ đồ 3.1 cho thấy 70%COD của nguồn được chuyển thành acid acetic và 30%COD còn lại đóng vai trò là chất cho điện tử và được chuyển hóa thành CO2 và H2. Giai đoạn 4 - giai đoạn methane hóa: là giai đoạn chậm nhất trong quá trình xử lý yếm khí. Khí methane hình thành từ phản ứng của acid acetic hoặc khí CO2 và H2. Quá trình này được thực hiện bởi loại VK acetotrophic và hydrogenotrophic. CH3COOH --> CH4 + CO2 ; 4H2 + CO2 --> CH4 + H2O Vi sinh vật tạo methane từ hydro và carbonic (hydrogenotrophic) có tốc độ phát triển nhanh hơn nên đóng vai trò quyết định trong quá trình này. Song song với quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình tổng hợp tế bào của tất cả các nhóm vi sinh có mặt trong quá trình xử lý. Từ cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí cho thấy: Theo sơ đồ 3.1 quá trình hình thành methane COD chuyển thành H2 chỉ là 30% thông qua nhóm vi khuẩn hydrogenotrophic. Vì vậy, để đạt hiệu quả xử lý COD cao cần tạo điều kiện cho nhóm vi khuẩn này phát triển. Trong giai đoạn acid hóa, pH của môi trường bị giảm do hình thành acid béo và các sản phẩm trung gian có tính acid. Mặt khác chủng loại vi sinh tạo methane chỉ phát triển thuận lợi trong môi trường trung tính. Để khắc phục hiện tượng “chua” cần tạo thế cân bằng giữa hai quá trình acid hóa và methane hóa bằng cách thúc đẩy hoạt tính của VSV methane hóa và duy trì điều kiện đệm (hệ đệm là HCO3- - CO32-). Biện pháp xử lý kỵ khí cho chất lượng nước đầu ra còn chứa nhiều hợp chất có mùi hôi, vì vậy chúng chỉ được coi là một bước tiền xử lý trong hệ thống xử lý. 2.2.2. Các công trình kỵ khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi a. Bể 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 2.1. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas Loại khí Thành phần khí CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1% Khi đốt cháy 1m3 hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 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 [21]. 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 2.2. Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp Động vật Khí được sản sinh (l/kg chất thải rắn) Thực vật Khí được sản sinh (l/kg chất thải rắn) Lợn 340-500 Cỏ 90-130 Gà 310-620 Rơm 105 Bò 280-550 Bèo tây 375 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 metan. + 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 metan. + Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: 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. 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 metan, như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan 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%. Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống Biogas: - 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 căn lơ lửng 5%. Sản phẩm khí tạo ra 0,35-0,40m3 khí/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas đối với phân lợn là 10-15 ngày [29]. Bảng 2.3. Năng suất khí sinh học từ quá trình lên men các loại nguyên liệu STT Nguyên liệu Lượng khí sinh học/1kg chất khô (m3/kg) %CH4 trong khí sinh học Thời gian lên men (ngày) 1 Phân trâu bò 0,33 58 10 2 Phân gia súc khác 0,23-0,50 58 10 3 Phân trâu 0,86-1,11 57 10 4 Phân gà 0,31-0,54 60 30 5 Phân lợn 0,69-0,76 58-60 10-15 6 Phân Cừu 0,37-0,61 64 20 - Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N: quá trình phân huỷ kỵ khí tốt nhất nếu nguyên liệu đưa vào đảm bảo tỷ lệ C/N=30/1 [29]. Bảng 2.4. Tỷ lệ C/N trong phân gia súc gia cầm Vật nuôi Thành phần Chất tan (%) N(%) P(%) C/N Bò sữa 7,33 0,38 0,10 25,30 Bò thịt 9,53 0,70 0,20 26,30 Lợn 21,50 1,00 0,30 25,50 Gà 16,60 1,20 1,20 15,00 Trâu 10,20 0,31 Chất lượng nguyên liệu và tỷ lệ hỗn hợp phân/nước: dung dịch lên men phải đảm bảo hàm lượng chất khô 2-4%, với chất dễ tiêu khoảng 7%. Thông thường tỷ lệ phân/nước=1/1-1/5. - Quá trình khuấy trộn: phải thường xuyên thực hiện phá lớp váng nổi trong bể Biogas để tạo điều kiện cho khí thoát lên vòm bể và thúc đẩy quá trình sinh khí. Đồng thời trong các vi khuẩn sinh khí có loài thụ động có loài năng động, do đó cần khuấy trộn để cung cấp thức ăn cho loài vi khuẩn thụ động. - Hoá chất, các độc tố: các hóa chất như thuốc kháng sinh hoặc các sản phẩm hoá học khác có thể gây ức chế cho quá trình phát triển của VSV. Vi sinh vật có thể ngừng làm việc và hiệu quả sinh khí thấp, vì vậy cần hạn chế sự có mặt của các chất hoá học trong bể Biogas. - pH: tối ưu khoảng 7-8,5. - 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 [29]. - Nhiệt độ: lý tưởng là 350 C, tuy nhiên quá trình phân huỷ vẫn xảy ra ở nhiệt độ 15-200C. Nếu nhiệt độ thấp hơn thì VSV khó phát triển, dưới 100C thì gần như quá trình sinh khí không diễn ra. Theo Mignotte lượng khí sinh ra trên 1 tấn phân ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian khác nhau được thể hiện trong bảng sau: Bảng 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khí Nhiệt độ (0C) Khí sinh ra (m3/ngày) Thời gian (tháng) 15 0,15 12 20 0,3 6 25 0.6 3 30 1.0 2 35 2,0 1 Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) nước thải sau khi qua bể Biogas, BOD giảm 79-87%, Coliform giảm 98-99,7%, trứng giun sán giảm 95,6-97%. b. Hồ kỵ khí: Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ các bọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác như gió, chuyển động đối lưu... Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu và tải lượng chất hữu cơ, mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu được thể hiện qua công thức [2]: E(%) = 1 – 2,4. q0,5 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 ra khỏi hồ 80-160 mg/l [21]. c. Quá trình lọc sinh học kỵ khí: Kỹ thuật lọc yếm khí được sử dụng trong thực tế lần đầu tiên vào năm 1969, kỹ thuật trên phù hợp với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Tải lượng chất hữu cơ của bể lọc yếm khí có thể đạt tới 1-20 kgBOD/m3.ngđ [2]. Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh như sỏi, đá, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa.. để xử lý nước thải trong điều kiện 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 thời gian lâu hơn thời gian lưu nước (thời gian lưu nước là 8h, thời gian lưu bùn có thể lên đến 100 ngày). Quy trình này có nhiều ưu điểm: Đơn giản trong vận hành; Chịu được biến động lớn về tải lượng ô nhiễm; 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) [9]. Tuy nhiên có nhược điểm là không điều khiển được sinh khối của bể lọc này. Sử dụng quá trình màng VSV kỵ khí cũng như hiếu khí để XLNT chăn nuôi ngoài việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ còn có thể loại bỏ một lượng lớn các chất lơ lửng, trứng giun sán, vi khuẩn... nhờ cơ chế hấp phụ. Tuy nhiên khi XLNT chăn nuôi cần lưu ý sự tích lũy cặn trong lớp VLL vì hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải là khá lớn. Sự tích lũy cặn sẽ làm tắc lớp VLL tạo ra các vùng chết hoặc xảy ra hiện tượng đánh thủng lớp VLL làm cho dòng chảy ngắn và phân bố không đều dẫn đến giảm hiệu quả xử lý. Vì vậy cần loại bỏ cặn lơ lửng trước khi đi vào công trình. Sự phát triển của mô hình động học phân hủy yếm khí hiện chưa đạt tới mức độ cho phép thiết lập các thông số thiết kế cho một hệ xử lý hoặc cần tới quá nhiều các thông số nhưng tính đặc trưng và ổn định của chúng thấp, vì vậy thiết kế hệ lọc yếm khí chủ yếu dựa trên kinh nghiệm hoặc từ kết quả nghiên cứu từ thí nghiệm pilot [2]. Trên cơ sở các thí nghiệm và thực nghiệm với hệ lọc sử dụng vật liệu mang khác nhau, mặc dù số liệu khá tản mạn nhưng người ta xác lập được mối quan hệ [2]: lg(Se/Si) = -A lgq + B; E = 1- Se/Si = 1 – B. (q)-A (3-1) Trong đó : Si, Se : nồng độ cơ chất đầu vào và đầu ra khỏi hệ A, B : hằng số kinh nghiệm E: hiệu quả xử lý q: thời gian lưu (giờ) Theo các số và B=0,87, nếu thời gian lưu tính theo giờ thì hiệu quả xử lý được xác định theo công thức: E = 1 – 0,87.q-0,5 [2]. Theo [1] tổng hợp các kết quả nghiên cứu về lọc kỵ khí trên thế giới cho thấy bể lọc kỵ khí. Đối với nước thải sau Biogas trong đối tượng nghiên cứu có COD khoảng 1500mg/l tương ứng với hiệu suất xử lý COD khoảng E=65% tương ứng với thời gian lưu nước qua bể lọc kỵ khí là 8giờ. Kết quả trên cũng phù hợp với công thức tổng hợp của Lê Văn Cát (E = 1 – 0,87.q-0,5). d. 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 hợp cho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ từ thấp tới cao tại các vùng nhiệt đới. Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và sinh ra một lượng khí Biogas đáng kể. Nước thải được đưa từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng hạt. Quá trình sinh hóa diễn ra khi nước thải tiếp xúc với lớp hạt bùn này. Khí sinh ra sẽ kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước. Khi lên đến đỉnh các bọt khí sẽ va chạm với các tấm chắn nghiêng, các bọt khí được giái phóng tự do còn bùn được rơi xuống theo trọng lực. Tấm chắn được đặt nghiêng 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. N­íc th¶i vµo HÖ thèng ph©n phèi n­íc TÇng bïn l¬ löng N­íc th¶i sau bÓ UASB KhÝ Biogas M¸ng thu n­íc quanh bÓ TÇng pha n­íc, pha khÝ V¸ch ng¨n t¸ch khÝ Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bể UASB Hiệu quả xử lý của bể UASB có tách pha và không tách pha khác nhau [35]. Trường hợp không tách pha: E = 1 – 1,53. q-0,64 Trường hợp có tách pha: E = 1 – 0,68. q-0,64 Theo G. Lettinga, 2002: lg(Se/Si) = -A lgq + B; E = 1- Se/Si = 1 – B. (q)-A (3-1) Trong đó : Si, Se : nồng độ cơ chất đầu vào và đầu ra khỏi hệ A, B : hằng số kinh nghiệm E: hiệu quả xử lý q: thời gian lưu (giờ) Các hằng số kinh nghiệm A, B trong công thức (3-1) được thể hiện trong bảng sau: Bảng 2.6. Các thông số kỹ thuật đối với các công trình xử lý kỵ khí Hệ thống xử lý yếm khí A B q đối với E=80% (giờ) UASB tiêu chuẩn 0,68 0,68 5,5 Lưu thể giãn nở 0,60 0,56 5,5 Lọc sinh học 0,50 0,87 20,0 Hồ yếm khí 0,50 2,40 144,0 So sánh với các kỹ thuật xử lý yếm khí khác, trên nhiều phương diện cho thấy kỹ thuật UASB là phương án tốt nhất. Thông thường thời gian lưu là 6 ngày cho vùng khí hậu nhiệt đới, chiều cao bể 4-6m, vận tốc nước dâng v = 0,6-0,9 m/h [3]. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể UASB: - Nhiệt độ: UASB có thể hoạt động ở nhiệt độ ấm (30 – 350C) hoặc nóng (50 – 550C). Nhiệt độ tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB là 350C. Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo methane hầu như không hoạt động. - pH: pH tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB là từ 6,5-7,5. Nếu pH giảm thì ngưng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng acid tăng lên dẫn đến làm chết các vi khuẩn tạo CH4. Phải duy trì độ kiềm trong nước thải khoảng 1.000-1.500mg/l làm dung dịch đệm để không cho pH<6,3. - Hàm lượng chất hữu cơ: khi COD 50.000mg/l, cần pha loãng nước thải [2]. - Khả năng phân huỷ sinh học của các chất hữu cơ: có thể xác định bằng cách cho một lượng COD đã định lượng trước vào mô hình tĩnh và theo dõi lượng khí methane sinh ra hoặc lượng COD còn lại trong thời gian khoảng 40 ngày. - Chất dinh dưỡng: nhu cầu dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí thường thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khí. Hàm lượng tối thiểu của các nguyên tố dinh dưỡng xác định theo tỷ lệ (COD/Y) : N : P : S = (50/Y : 5 : 1 : 1). Trong đó Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải. Nước thải không dễ acid hóa có Y = 0,15; nước thải dễ acid hóa có Y = 0,03. - Hàm lượng cặn lơ lửng: UASB không thích hợp đối với nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng lớn > 3000mg/l. Cặn khó có thể phân hủy sinh học được, do đó cặn sẽ tích lũy dần trong bể gây trở ngại cho quá trình xử lý nước thải. + Ưu điểm: - Theo nghiên cứu XLNT trại chăn nuôi lợn Vĩnh An (CEFINA-Trung tâm Công nghệ quản lý môi trường) trên mô hình kỵ khí UASB cho thấy: ở tải lượng 2-5 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý đạt 70-72% còn ở tải trọng 5-6kgCOD/m3.ngày thì hiệu quả là 48% [19]. 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. - Trong bể UASB các loại bùn có mật độ vi sinh rất cao và tốc độ lắng vượt xa 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 [34,36,38]. - Cả ba quá trình: phân hủy, lắng bùn, tách khí được xây dựng, lắp đặt trong cùng một công trình và có khả năng thu hồi khí Methane; - 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: 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 hiệu quả xử lý của bể. Một số thông số kỹ thuật khi thiết kế bể UASB: - Vận tốc nước thải đưa vào bể duy trì trong khoảng 0,6-0,9m/h; - pH duy trì trong khoảng 6,6-7,6 (pH<6,2 thì vi khuẩn chuyển hóa methane hoạt động kém), cần duy trì dung dịch đệm độ kiềm cần duy trì 1000-1500mg/l); - Chu trình sinh trưởng của VSV acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với VSV acetate hóa (2-3 giờ, so với 2-3 ngày). Do đó trong quá trình vận hành ban đầu tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì VSV acid hóa sẽ tạo ra các acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi khuẩn acetate. Do ở Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên quá trình vận hành ban đầu tải trọng COD khoảng 3kg COD/m3.ngđ, khi hệ thống hoạt động ổn định có thể tăng lên đến 15-20 kgCOD/m3.ngđ (thời gian này kéo dài khoảng 3-4 tháng) [16]. e. 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 methane hóa cao. Một hệ UASB thông thường không có khả năng tạo ra các hạt bùn có tính chất như trên mặc dù có hiệu quả xử lý cao, chứng tỏ chúng không phải là điều kiện tiên quyết cho hiệu quả xử lý của hệ, chính từ quan điểm trên người ta đã biến thể hệ UASB thành hệ EGSB. Năm 1983 Lettinga và cs, đã phát minh ra hệ thống EGSB - Expanded Granular 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 hệ thống UASB (0,6 - 0,9m/h). Nước thải ra khỏi hệ thống có thể được tuần hoàn trở lại một phần, do tải lượng của bể EGSB (2-4kgCOD/m3.ngày [17]) thấp hơn so với 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, có thể hoạt động được ở nhiệt độ thấp: 8-120C; có thể xử lý nhiều chất độc hại 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. 2.3. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí 2.3.1. Các quá trình trong quá trình hiếu khí Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn: - Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 CO2 + H2O + DH - Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz+ O2 + NH3TÕ bµo vi khuÈn (C5H7O2N)+CO2 + H2O - DH - Phân hủy nội bào: C5H7O2N + O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± DH 2.3.2. Các công trình hiếu khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi a. Aerotank: Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính được phát minh bởi Arden và Lockett năm 1914 tại Anh. Vi khuẩn dính bám lên các bông cặn có trong nước thải và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ. Các bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo 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. Theo nghiên cứu của Lâm Quang Ngà (1998) ở trại chăn nuôi 3/2 TP. HCM: ứng với tải trọng 0,6-1,5kgCOD/m3.ngày, nồng độ COD đầu vào 200-500 mg/l và thời gian lưu nước 8-10 giờ thì hiệu quả xử lý đạt được 80-85%. Khi tăng thời gian xử lý lên thì hiệu quả xử lý không tăng nữa. XLNT chăn nuôi bằng bể Aerotank có ưu điểm là tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưng chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khá lớn so với các phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồ sinh học, mương oxy hóa... Do đó tùy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hình thức xử lý phù hợp. b. Lọc sinh học hiếu khí: Sử dụng hệ VSV dính bám trên các VLL 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, tạo thành màng. Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ: chất hữu cơ, cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán. + Bể lọc nhỏ giọt: vật liệu lọc là sỏi nhẹ, than... đường kính hạt 20 - 50 mm. Chiều dày lớp vật liệu lọc từ 1,5 - 2,0 m. Bể được cấp khí tự nhiên nhờ các cửa thông gió xung quanh bể hoặc cấp khí cưỡng bức. Tải trọng của bể lọc sinh học nhỏ giọt thấp 0,1-0,2 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 1-3m3 nước thải/m2 bề mặt bể.ngày. Thông thường hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học nhỏ giọt E=75-90% [19]. + Bể lọc sinh học cao tải: chiều dày lớp vật liệu lọc khoảng 2,0 - 4,0 m. Bể được cấp khí cưỡng bức với lưu lượng 8-12 m3 khí/m3 nước thải. Tải trọng của bể lọc sinh học cao tải 0,2-1,5 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 10-30m3 nước thải/m2 bề mặt bể.ngày. Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học cao tải E=60-85% [19]. c. Hồ sinh học: Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương như quá trình tự làm sạch ở sông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Trong hồ có thể nuôi trồng thủy 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 VSV phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp chúng lại giải phóng ra oxy cung cấp cho động thực vật. Cá bơi khuấy trộn nước có tác dụng tăng sự tiếp xúc 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 trồng thủy sản và cây trồng, điều hòa lưu lượng, dự trữ nước cho các mục đích sử dụng nước khác. Căn cứ vào đặc tính tồn tại của các nhóm VSV và cơ chế xử lý mà có thể chia ra các loại hồ: hồ hiếu khí; hồ kỵ khí; hồ tùy tiện. + Hồ hiếu khí: Là loại hồ cạn, độ sâu lớp nước trong hồ 0,4-0,8m để cho ánh sáng mặt trời xâm nhập sâu vào lớp nước. Lượng oxy cho các quá trình sinh hóa chủ yếu là oxy trong không khí xâm nhập qua bề mặt và hoạt động quang hợp của thực vật trong nước. Tải lượng của hồ khoảng 250-300 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước khoảng 3-12 ngày. Do độ sâu nhỏ và thời gian lưu nước lớn do đó hồ hiếu khí có thể kết hợp xử lý nước thải và nuôi trồng thủy sản. Đối với hồ hiếu khí nhân tạo (cung cấp oxy cưỡng bức) thì chiều sâu hồ có thể 2-4,5m; tải lượng 400 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước 1-3 ngày. + Hồ tùy tiện: được sử dụng rộng rãi trong XLNT, trong hồ xảy ra song song hai quá trình: oxy hóa hiếu khí chất hữu cơ và phân hủy methane cặn lắng. Chiều sâu của hồ tùy tiện thường lấy 1,0-1,5m. Theo chiều sâu của hồ phân ra thành ba vùng: Lớp nước phía trên có nhiều oxy hòa tan nên quá trình oxy hóa xảy ra ở môi trường hiếu khí; Lớp giữa là lớp trung gian; Lớp dưới cùng quá trình phân hủy các chất hữu cơ ở môi trường yếm khí. Hình 2.3. Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học d. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng thuỷ sinh thực vật Trong XLNT, 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 XLNT thì sự phối hợp chặt chẽ giữa TVTS 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 quan trọng. Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và tạo nguyên liệu dinh dưỡng (N, P và các khoáng chất khác…) cho thực vật sử dụng. 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 được chú ý hơn vì chúng có những ưu điểm nổi bật: - Xử lý được nhiều tác nhân gây ô nhiễm; - Thân thiện với môi trường; - Tốc độ tăng trưởng sinh khối nhanh: sinh khối của TVTS sau xử lý có thể 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. +Xử lý nước thải bằng tảo: Tảo có khả năng quang hợp, chúng có tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu được các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong nước thải, có giá trị dinh dưỡng cao. Do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này của tảo để: chuyển đổi năng lượng mặt trời và chất dinh dưỡng trong nước thải thành năng lượng sinh khối tảo. Thông thường người ta kết hợp việc XLNT với sản xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải, Các yếu tố cần thiết cho quá trình xử lý nước thải bằng tảo: Dưỡng chất: Ammoni là nguồn đạm chính cho quá trình tổng hợp nên protein của tế bào thông qua quá trình quang hợp của tảo. Các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo, trong tế bào tảo tỷ lệ P: Mg: K là 1,5:1:0,5 [18]. Độ sâu của tảo: độ sâu của tảo được lựa chọn trên cơ sở tối ưu hóa khả năng sử dụng ánh sáng trong quá trình quang hợp của tảo, độ sâu thường là 40 - 50cm. Thời gian lưu chất thải trong ao: thường chọn lớn hơn 2-8 ngày [18]. Lượng BOD nạp cho hồ tảo: ảnh hưởng đến năng suất tảo vì nếu lượng BOD nạp quá cao môi trường sẽ trở nên yếm khí ảnh hưởng đến quá trình cộng sinh của tảo và vi khuẩn. Một số thí nghiệm ở Thái lan cho thấy trong điều kiện nhiệt đới thì lượng BOD nạp vào là 336 kg/ha.ngày (33,6 g/m2.ngày) [18]. + Xử lý bằng thực vật thủy sinh có kích thước lớn: Thực vật thủy sinh kích thước lớn có thể sử dụng trong xử lý nước thải chia làm 3 nhóm : - Nhóm nổi: bèo tấm (Lemna minor), bèo Nhật bản (Eichhornia crassipes), loại này có thân, lá nổi trên mặt nước, chỉ có phần rễ là chìm trong nước. - Nhóm nửa chìm, nửa nổi: sậy (Pharagmites communis), lau (Cirpus lacustris). Loại này có bộ rễ cắm vào đất, bùn còn phần thân chìm trong nước, phần còn lại và lá ở phía trên. Mực nước thích hợp của cây là >1,5m. - Nhóm chìm: rong xương cá (Potamogeton crispus), rong đuôi chó (Littorella umiflora), thực vật loại này chìm hẳn trong nước, rễ của chúng bám chặt vào bùn đất, còn thân và lá ngập trong nước. Bảng 2.7. Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu Loại Tên thông thường Tên khoa học Thuỷ sinh vật sống chìm Hydrilla Hydrilla verticilata Water milfoil Myriophyllum spicatum Blyxa Blyxa aubertii Thuỷ sinh vật sống trôi nổi Lục bình Eichhornia crassipes Bèo tấm Wolfia arrhiga Bèo tai tượng Pistia stratiotes Salvinia Salvinia spp Thuỷ sinh thực vật sống nổi Cattails Typha spp Bulrush Scirpus spp Sậy Phragmites communis 2.4. Xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học Trong nước thải chăn nuôi hàm lượng các hợp chất N, P trong nước thải là rất cao (Ntổng= 200-350mg/l; N-NH4+=180-280mg/l; N-NO2-=1-3mg/l; N-NO3-= 15-60mg/l; BOD5=800-1400mg/l; COD=1300-3500mg/l; Ptổng=60-100mg/l). Hợp chất nitơ bền và không có hậu quả xấu với môi trường là khí N2. Xử lý hợp chất N trong nước thải với mục tiêu cao nhất về phương diện công nghệ là chuyển chúng về dạng khí nitơ. Khả năng loại bỏ N, P qua các quá trình XLNT: - Trong quá trình xử lý sơ bộ lắng nồng độ N giảm khoảng 5-10% do hợp chất N được giữ lại ở trong các hợp chất lắng. - Trong quá trình xử lý yếm khí quá trình oxy hóa amoni hầu như không diễn ra chỉ một phần nhỏ tham gia tổng hợp sinh khối. Trong quá trình yếm khí chỉ chuyển hóa từ dạng N-hữu cơ về dạng N-vô cơ qua quá trình thủy phân. - Trong quá trình xử lý hiếu khí so với quá trình phân hủy COD thì quá trình oxy hóa N-amoni thành Nitrit và Nitrat diễn ra chậm hơn nhiều. Như vậy đối với nước thải chăn nuôi lợn có hàm lượng N, P cao – thành phần N, P luôn dư so với nhu cầu tổng hợp tế bào. Vậy cần có quá trình thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat. Bảng 2.8. Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường Đơn vị công nghệ Hiệu quả xử lý (%) Nhữa cơ N-NH4+ N-NO3- Tổng N Lắng 1 10 – 20 - - 5 – 10 Xử lý bậc 2 10 - 50 <10 ít 10 - 30 Tổng hợp tế bào - 40-70 ít 3-70 Nitrat hóa ít ->NO3- ít 5-20 Khử Nitrat - - 80-90 70-95 Hồ oxy hóa ít Bay hơi ít nitrat 20-90 Trong quá trình XLNT luôn tồn tại nhiều chủng loại VSV có khả năng cùng sống trong một môi trường. Tỷ lệ của các loại VSV trong quần thể phụ thuộc vào thành phần nước thải. Trong cùng điều kiện hiếu khí, tỷ lệ VSV hiếu khí dị dưỡng (oxy hóa Chữa cơ) và loại VSV hiếu khí tự dưỡng (oxy hóa NH4+), tỷ lệ các VSV trên phụ thuộc vào tỷ lệ BOD/N được thể hiện trong bảng sau: Bảng 2.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự dưỡng (%) Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự dưỡng (%) 0,5 35,0 5 5,4 1 21,0 6 4,3 2 12,0 7 3,7 3 8,3 8 3,3 4 6,4 9 2,9 2.4.1. Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải Khử nitrat Nitrat hóa Amôn hoá (® NO2 ® N2 ) ( ® NO2- ® NO3-) NH4+ nước NH4+ Nước N-hữu cơ Quá trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau: Hình 2.4. Sơ đồ quá trình khử hợp chất N a. Quá trình oxy hóa amoni Công thức tổng hợp mô tả sự oxy hóa và tổng hợp tế bào: 1,02NH4++1,89O2+2,02HCO3- ® 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O+ 1,92 H2CO3 + NO3- Có khoảng 20-40% NH4+ được tiêu thụ trong quá trình tổng hợp tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết như sau: 4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O ® C5H7O2N (tÕ bµo vi khuÈn) + 5 O2 Oxy hóa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của quá trình bị khống chế bởi gian 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. Vì vậy trong quá trình động học người ta chỉ sử dụng các thông số liên quan đến vi khuẩn Nitrosomonas để đặc trưng cho quá trình oxy hóa amoni. Tốc độ phát triển của VSV tự dưỡng tuân theo quy luật động học của Monod. Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của VSV tự dưỡng là nồng độ NH4+ và DO. Trong đó: m: hằng số phát triển riêng của VSV tự dưỡng mm: hằng số phát triển cực đại của VSV tự dưỡng SN: nồng độ NH4+ DO: nồng độ oxy hòa tan KN: hằng số bán bão hòa của NH4+ KDO: hằng số bán bão hòa của oxy Phương trình trên có 3 thông số động học (mm, KN, KDO), các thông số (KN, KDO) được xác định bằng thực nghiệm KN=0,256-1,84mgN-NH4+/l, KDO=0,15-2,0 mgO2/l. Tại nhiệt độ 200C nên chọn KN=1,0 mgN-NH4+/l, KDO=0,4mgO2/l [20]. 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 (Downing và Scragg, 1958). Tốc độ nitrat hoá đối với Nitrosomonas không phụ thuộc vào DO nếu DO>1mg/l và đối với Nitrobacter khi DO>2mg/l (Schoberl và Angel, 1964). Theo Boon và Laudeluot (1962) nghiên cứu tốc độ sinh trưởng của Nitrobacter ở DO=1 mg/l và DO bão hoà ở nhiệt độ 30 - 350C cho thấy: ở DO = 1mg/l tốc độ sinh trưởng bằng 97%, 80%, 70%, 58% ở DO bão hoà; tương ứng với các nhiệt độ 20; 23,7; 29; 350C. Các nghiên cứu trên thể hiện ảnh hưởng của DO đến quá trình nitrat hóa. + Nhiệt độ: tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrat hoá suy giảm khi giảm nhiệt độ. Một số nghiên cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của VSV tự dưỡng được thể hiện trong bảng sau: Bảng 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat hóa Nguồn mn,max theo nhiệt độ mn,max theo nhiệt độ 100C 150C 200C Downing (1964) 0,47.e0,098(T-15) 0,29 0,47 0,77 Hultman (1971) 0,50.e0,033(T-15) 0,23 0,34 0,50 Barnard (1975) 0,33.(1,127)T-20 0,10 0,18 0,37 Painter (1983) 0,18.e0,0729(T-15) 0,12 0,18 0,26 Nhiệt độ ảnh hưởng đến hệ số bán bão hòa Kn của quá trình nitrat hóa: - Theo (Knowles và cs..,1965) mối quan hệ giữa Kn và nhiệt độ: Kn = 10(0,051.t-1,148) - Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrat hóa trong khoảng 30 – 360C, nhưng chúng có thể phát triển ở 4 – 500C (Focht và Chang, 1975; Painter, 1970). + pH: giá trị pH thích hợp là từ 7,6-8,6; khi pH10 sẽ ức chế hoàn toàn quá trình hoạt động của VSV. Ảnh hưởng của pH lên tốc độ phát triển riêng cực đại của VSV tự dưỡng: mn,pH = mn,7,2.[1 – 0,833(7,2 – pH)] Tốc độ nitrat hoá giảm tuyến tính khi pH < 7,2 và ít có sự ảnh hưởng khi pH =7,2 – 8,0 (Angle và Alexander, 1958; và Downing, 1964). Tốc độ nitrat hoá đối với Nitrobacter ở pH=6,5 bằng 60% tốc độ ở pH=7,5 (Boon và Laudelout, 1962). Khi sử dụng các mẻ vi sinh nuôi cấy chưa thích nghi cho thấy tốc độ nitrat hoá ở pH=6,9 bằng 84% tốc độ ở pH=7,0 ở 200C. Tốc độ nitrat 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 (Antoniou và cs.., 1990). Tốc độ sinh trưởng riêng cực đại được phục hồi sau khi thích nghi với pH thấp hơn và thích nghi hoàn toàn sau 10 ngày khi pH giảm từ 7 – 6 trong các quá trình sinh trưởng dính bám (Stankwich, 1972; Haug và McCathy, 1972). + Độc tố: các hợp chất có độc tố cao với VSV tự dưỡng là: hợp chất phenol, hợp chất clo, Cl- và các kim loại nặng. Đối với VSV có tốc độ phát triển chậm thì ảnh 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. VSV tự dưỡng có sức chịu đựng độc tố kém hơn VSV dị dưỡng, Một độc tố rất quan trọng là NH3 và axit HNO2 ở dạng trung hòa – sản phẩm và nguyờn liệu của quá trình, Nitrobacter bị ảnh hưởng nhiều hơn (0,1-1,0 mgN-NH3/l) so với Nitrosomonas (5-20 mgN-NH3/l). Tuy nhiên pH của nước thải chăn nuôi thường ở mức trung tính nên nồng độ NH3 trong nước thải là thấp. Ngược lại HNO2 lại tồn tại và thể hiện độc tính ở pH thấp. + Thời gian lưu bùn: thời gian lưu bùn phải đủ lớn để đảm bảo cho vi khuẩn nitrat hoá phát triển ổn định. Thời gian lưu bùn rất quan trọng đối với nước thải chứa các hợp chất độc hại. SRT đủ lớn để cho vi khuẩn thích nghi dần với các chất độc hại. Theo Bridle và cộng sự cho thấy đối với một số nước thải công nghiệp chứa các hợp chất độc hại SRT > 160 ngày thì hiệu quả nitrat hoỏ đạt > 90%. Thời gian lưu bùn ảnh hưởng tới nhu cầu oxy mà loài vi khuẩn nitrat hoá nhạy cảm với yếu tố này. b. Quá trình khử nitrat. Nitrat là sản phẩm cuối của qúa 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 Một số loài vi khuẩn khử nitrat như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirillum, Thiobacilus, Micrococcus, Denitrobacillus.. (Painter, 1970). 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 nhúm 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 chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cần thiết cho khử nitrat. Quá trình khử nitrat không phải là quá trình lên men yếm khí mà nó giống như quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy chúng sử dụng NO2- và NO3- khi môi trường thiếu oxy. Trong hệ khử nitrat bởi VSV, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của chất nhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrit, nitrat, sunfat. Trong đó oxy hòa tan có khả năng phản ứng tốt nhất với các chất khử vì trong hệ luôn có VSV dị dưỡng hiếu khí. VSV chỉ sử dụng đến nitrat và nittrit khi môi trường cạn kiệt oxy hòa tan. Mức độ cạnh tranh về phương diện sử dụng chất cho điện tử: O2 > NO3- » NO2- > SO42-. Các chất hữu cơ mà nhóm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, các hóa chất hữu cơ đưa vào, các chất hữu cơ hỡnh thành từ quá trình phõn hủy nội sinh. Tốc độ phản ứng khử nitrat được thể hiện qua công thức sau [20]: vi = 0,03(F:M) + 0,029; vi = 0,12.qc-0,706 (trong đó: q - là thời gian lưu tế bào) Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào các yếu tố sau: + DO: Qúa trình khử nitrat xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên nồng độ oxy hòa tan - DO ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quá trình vỡ oxy trong nước thải ức chế các enzyme khử nitrat. Oxy ức chế các enzyme nitrit mạnh hơn các enzyme khử nitrat. Theo các nghiên cứu của Skerman và MacRae (1957), Terai và Mori (1975) cho biết loài Pseudomonas bị ức chế ở DO ³ 0,2mg/l. Theo Nelson và Knowless (1978) cho biết khử nitrat bị dừng khi DO là 0,13mg/l. Theo Wheatland và cs.. (1959), tốc độ khử nitrat ở DO = 0,2mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrat ở DO là 0mg/l, khi DO tăng lên 2mg/l thì tốc độ khử nitrat chỉ bằng 10% ở DO là 0mg/l. + pH: Theo nghiên cứu của Dawson và Murphy (1972) cho biết tốc độ khử nitrat ở pH=6 và 8 bằng một nửa ở pH=7 cho cùng một mẻ nuôi cấy. 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 100C trong khoảng nhiệt độ 5-250C [2]. + 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 (1g N-NO3- cần khoảng 3g COD). + Độc tố và yếu tố kìm hãm quá trình khử Nitrat: loại Denitrifier ít bị ức chế 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 qúa trình khi đạt 13% nồng độ bão hòa. Hệ xử lý nitơ trong nước thải bằng phương phỏp sinh học có thể riêng rẽ hoặc tổ hợp hai quá trình: oxy húa amoni và khử nitrat. Theo Lê Văn Cát (2007) khi BOD/TKN>5 nên kết hợp hai quá trình trên, khi BOD/TKN<3 thì nên tách ra thành 2 giai đoạn. Đối với nước thải chăn nuôi 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 với VSV 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 hoạt động của VSV tự dưỡng sẽ bị cạnh tranh quyết liệt bởi VSV dị dưỡng, dẫn đến khả năng xử lý các hợp chất chứa nitơ trở lên khó khăn hơn. Do đó cần phải oxy hóa nước thải theo nhiều giai đoạn, để tạo điều kiện cho giai đoạn sau oxy hóa các hợp chất nitơ được dễ dàng. 2.4.2. Các dây chuyền xử lý N, P trong nước thải Nước thải chăn nuôi chứa một lượng lớn nitơ và phốtpho do đó nên áp dụng biện pháp xử lý kết hợp cả nitơ và photpho. Bằng cách sử dụng bùn hoạt tính, các hợp chất trong các quá trình xử lý thiếu khí, xử lý hiếu khí, xử lý yếm khí kết hợp hoặc riêng biệt để thực hiện quá trình khử nitơ và photpho. Các công nghệ được sử dụng thông dụng trên thế giới bao gồm: Quy trình A2/O (kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí); Quy trình Bardenpho (5 bước); Quy trình UCT; Quy trình VIP; Bể Aeroten hoạt động theo mẻ (SBR - Sequencing Batch Reactor); Mương oxy hóa. Quy trình A2/O (Kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí): quy trình này được cải tiến từ quy trình A/O và bổ sung thêm ngăn thiếu khí để khử nitrat, thời gian lưu nước trong ngăn thiếu khí khoảng 1h. Tại ngăn thiếu khí VSV lấy oxi từ nitrat (NO3-) và nitrit (NO22-), lượng nitrat và nitrit được bổ sung bởi hỗn hợp nước thải tuần hoàn từ sau ngăn hiếu khí. Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình A2/O Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn): Từ bể Bardenpho 4 giai đoạn để xử lý Nitơ, bổ sung thêm giai đoạn thứ 5 là quá trình kỵ khí để khử photpho. Sự sắp xếp các giai đoạn và cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải giữa các ngăn cũng khác nhau và khác quy trình xử lý A2/O. Hệ thống 5 bước có các ngăn kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí để khử cả Nitơ, Photpho và hợp chất hữu cơ. Ngăn thiếu khí (giai đoạn 2) để khử nitrat và được bổ sung nitrat từ ngăn hiếu khí (giai đoạn 3). Ngăn thiếu khí cuối cùng tách khí N2 ra khỏi nước và giảm hàm lượng Photpho xuống tối đa. Thời gian xử lý kéo dài hơn quy trình A2/O. Tổng thời gian lưu nước là 10-40ngày. Hình 2.6. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình Bardenpho 5 giai đoạn Quy trình UCT (University of Cape Town): Được thiết lập tại trường đại học Cape Town, giống quy trình A2/O nhưng có 2 sự khác biệt. Thứ nhất, bùn hoạt tính được tuần hoàn đến ngăn thiếu khí thay vì ngăn kỵ khí. Thứ hai, xuất hiện vòng tuần hoàn từ ngăn thiếu khí đến ngăn kỵ khí. Bùn hoạt tính đến ngăn thiếu khí, hàm lượng nitrat trong ngăn kỵ khí sẽ bị loại bỏ, theo đó tách được photpho trong bể kỵ khí. Bản chất của vòng tuần hoàn giữa các ngăn là cung cấp hợp chất hữu cơ đến ngăn kỵ khí. Hợp chất từ ngăn thiếu khí bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan nhưng hàm lượng nitrat rất ít, tạo điều kiện tốt nhất để lên men kỵ khí trong ngăn kỵ khí. Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình UCT Quy trình VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk. Virginia): Quy trình này giống A2/O và UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải giữa các ngăn trong bể. Bùn hoạt tính cùng với nước thải sau ngăn hiếu khí (đã khử nitrat) được đưa lại ngăn thiếu. Nước thải từ ngăn thiếu quay trở lại đầu vào của ngăn kỵ khí. Trên cơ sở những dữ liệu kiểm tra được, xuất hiện một số hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, đảm bảo sự ổn định trong hoạt động của bể kỵ khí, làm giảm nhanh chóng lượng oxi theo yêu cầu. Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình VIP Bể Aeroten hoạt động theo mẻ - SBR (Sequencing Batch Reactor): Là một dạng công trình XLNT bằng phương pháp bùn hoạt tính, hoạt động của bể SBR bao gồm các giai đoạn sau: đưa nước thải vào bể, khuấy trộn và sục khí, để lắng tĩnh, lần lượt xả nước thải và xả bùn dư. Hình 2.9. Sơ đồ hoạt động của bể SBR Nên phân bổ thời gian hoạt động của chu kì như sau: nước chảy vào bể (25%); sục khí (35%); lắng (20%); tháo nước (15%); tháo bùn (5%). Mương oxy hóa: có cấu tạo hình ôvan, chiều sâu lớp nước từ 1,0-1,5m, vận tốc nước trong mương 0,1-0,4m/s. Để đảm bảo lưu thông bùn, nước, cung cấp oxy người ta thường lắp đặt hệ thống khuấy trộn dạng guồng quay trục ngang. Hình 2.10. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P trong mương oxy hóa Tại khu vực hai đầu mương khi dòng chảy đổi chiều, vận tốc nước ở phía trong nhỏ hơn phía ngoài làm cho bùn lắng lại sẽ giảm hiệu quả xử lý, do đó phải xây dựng tường hướng dòng ở hai đầu mương để tăng tốc độ dòng phía trong. Nguyên lý hoạt động của mương oxy hóa tuần hoàn là bùn hoạt tính thổi khí kéo dài, lượng oxy cần cung cấp 1,5-1,8 kgO2/kgBOD5 để đảm bảo quá trình khử nitrat (Gray, 1990). Liều lượng bùn hoạt tính 2.000-6.000mg/l. Thời gian lưu nước 24-36giờ, thời gian lưu bùn 15-33 ngày, hệ số tuần hoàn bùn 0,75-1,5. Trong mương oxy hóa có các vùng hiếu khí và thiếu khí, vùng hiếu khí (DO>2mg/l) diễn ra quá trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa, vùng thiếu khí (DO<0,5mg/l) diễn ra quá trình hô hấp kỵ khí và khử nitrat. Hiệu quả xử lý BOD đạt 85-90%, hiệu quả xử lý N đạt 40-80%. 2.4.3. Quá trình mới xử lý Nitơ trong nước thải a. Công nghệ oxy hóa kỵ khí Amoni Phương pháp xử lý nitơ truyền thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat (hình 3.11). Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới cả về lý thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí ammoni (Anaerobic Ammonium Oxidation - Anammox). Trong đó amoni được oxi hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử (Strouss và cs.,1995). Quá trình anammox xảy ra theo phương trình phản ứng dưới đây (Van Der Graaf và cs..,1995-1996, Strous và cs..,1997): NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ " " 1.02 N2 + 0.26NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O Tỷ lệ mol giữa NH4+/NO2-= 1/1,32. Cần bổ sung nitrit vào, hoặc là chuyển hoá một nửa amôni ban đầu thành nitrit rồi chính nitrit sinh ra phản ứng với phân nửa amôni còn lại. Hướng thứ hai là nguyên lý cho các ứng dụng công nghệ anammox. Đến nay đã có 3 chi của vi khuẩn anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctoycetales (Schmid và cs.., 2005). Mặc dù vi khuẩn anammox tồn tại trong tự nhiên và trong môi trường hệ thống xử lý nước thải giàu ammoni, nhưng việc nuôi cấy, phân lập và làm giàu rất khó khăn do chúng sinh trưởng chậm (thời gian nhân đôi >10 ngày). b. Ưu điểm của các quá trình mới trong xử lý nitơ NH4-N NO2-N NO3-N N2 75%O2 25%O2 100% Carbon Khử nitrat 60% Carbon Khử Nitrit Nitrit hóa Nitrat hóa NO2-N Quá trình xử lý amoni trong nước thải được thể hiện qua sơ đồ sau: Hình 2.11: Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4+ + Quá trình loại bỏ amoni thông thường: Quá trình Nitrat hóa: 2 NH4+ + 4 O2 ® 2 NO3- + 4 H+ + 2 H2O Quá trình khử Nitrat: 2 NO3- + 8g COD + 2 H+ ® N2 + 3g Bùn 2 NH4++4 O2+8 COD ® N2+2 H++3g Bùn + Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox): Quá trình Nitrit hóa bán phần: 2NH4+ + 1.5O2= NH4+ + NO2- + H2O + 2H+ Quá trình Anammox: NH4+ + NO2-= N2 + 2H2O 2NH4+ + 1.5O2= N2 + 3H2O + 2H+ + Quá trình SHARON - Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite (Hellinga và cs.., 1998; Van Loosdrecht và Jetten, 1998) nitrit hoá hoàn toàn. Quá trình Nitrit hóa: 2 NH4+ + 4 O2 ® 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O Quá trình khử Nitrit: 2 NO2- + 4.8g COD + 2 H+ ® N2 + 1.8g Bùn 2 NH4++3 O2+4.8 COD ® N2+2 H++1.8g Bùn + So sánh quá trình Anammox với các quá trình xử lý N truyền thống: - Quá trình diễn ra nhanh hơn do đó giảm thời gian lưu đồng nghĩa với giảm khối tích công trình; - Giảm 62,5% lượng ôxy cung cấp; - Không cần C hữu cơ; - Không có bùn sinh ra; + So sánh quá trình SHARON với các quá trình xử lý nitơ truyền thống: - Quá trình diễn ra nhanh hơn do đó giảm thời gian lưu; - Giảm 25% lượng ôxy cung cấp so với quá trình loại bỏ amoni thông thường; - Giảm 40% lượng C hữu cơ yêu cầu; - Lượng bùn sinh ra chỉ bằng 40% so với phương pháp xử lý thông thường. c. Các giải pháp để tạo sản phẩm oxy hóa amoni là nitrit Có 2 cách tiếp cận khác nhau để tránh oxy hóa hoàn toàn ammoni thành nitrat và ngừng quá trình chuyển hóa ở mức độ nitrit [16]: Dựa vào đặc điểm là ở nhiệt độ cao (trên 300C), các vi khuẩn oxy hoá amôni sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy hoá nitrit và giảm thời gian lưu trong hệ thống và không duy trì sinh khối để cho vi khuẩn oxy hoá nitrit bị rửa trôi khỏi bể phản ứng và quá trình oxy hoá amôni chỉ dừng ở nitrit. Không tạo điều kiện tích lũy dạng Nitribacter bằng cách giảm thời gian lưu tế bào ngang bằng với thời gian lưu nước (không hồi lưu bùn), kiểm soát cấp khí trong quá trình oxy hóa (giảm công suất cấp khí, bố trí các điểm cấp khí xa nhau)... như vậy sẽ ngăn cản quá trình hình thành nitrat, tích lũy nitrit trong hệ. d. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ anammox ở Việt Nam Nghiên cứu về công nghệ anammox và các ứng dụng vào xử lý nitơ vẫn còn là lĩnh vực khá mới mẻ trên thế giới, vì vậy cũng là vấn đề rất mới ở Việt Nam. Hiện ở Việt Nam chưa có công trình nào về ứng dụng công nghệ anamox xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Hiện nhóm nghiên cứu ở Viện Sinh học Nhiệt đới tại TP Hồ Chí Minh đã có các kết quả ban đầu về làm giàu vi khuẩn anammox từ bùn kỵ khí của bể biogas nước thải nuôi lợn [9]. Tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho xử lý nước thải giàu nitơ, với yêu cầu nước thải đầu vào công trình: amoni>200mg/l và nồng độ chất hữu cơ thấp (tỷ lệ C/N COD»200*0,15=30mg/l, để giảm nồng độ COD trong nước thải chăn nuôi lợn xuống dưới 30mg/l là không khả thi. Như vậy công nghệ anammox là một hướng mới xử lý N trong nước thải, nhưng hiện tại không phù hợp với xử lý N trong nước thải chăn nuôi lợn với điều kiện Việt Nam. 2.4.4. Phương pháp xử lý P trong nước thải Hợp chất photpho trong nước thải chăn nuôi tồn tại ở các dạng: P hữu cơ, photphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, poly photphat và photpho trong tế bào. Trong đó hợp chất polyphotphat, hợp chất hữu cơ chứa photphat chiếm tỷ lệ lớn. Bảng 2.11. Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa Hợp chất Khả năng chuyển hóa Photpho hữu cơ Phân hủy thành photphat đơn và trùng ngưng Photphat đơn Tan, phản ứng tạo muối, tham gia phản ứng sinh hóa Photphat trong tế bào Thành phần của tế bào hoặc lượng dư trong tế bào của một số loại VK Xử lý các hợp chất Photpho dựa trên các nguyên tắc sau: - Kết tủa các ion photphat bằng các ion sắt, nhôm, canxi.. Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm như làm cho giá thành xử lý nước thải tăng lên. - Phương pháp sinh học: dựa trên đặc điểm của một số loại VK có khả năng tích lũy hợp chất photpho nhiều hơn khả năng tổng hợp tế bào. Thông thường trong tế bào hàm lượng photpho chiếm 1,5-2,5% khối lượng tế bào khô, một số loài có khả năng hấp thụ cao 6-8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra các phần tích lũy dư thừa. Photpho được tách ra khỏi nước thải qua bùn dư hoặc muối kết tủa. Xử lý photpho bằng phương pháp sinh học thường được kết hợp với oxy hóa BOD và khử hợp chất nitơ. Trong các hệ xử lý N (hệ A2/O, Bardenpho 5 giai đoạn...) nhóm vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Acinetobacter – nhóm này có khả năng tích lũy trong sinh khối cao (2-5%). Trong các công trình trên vi khuẩn Acinetobacter được luân chuyển giữa các điều kiện nên khả năng lấy P trong nước thải tăng lên rất nhiều, Photpho được loại bỏ trong bùn lắng. Một nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Mát-xcơ-va (MGSU), cho phép loại bỏ P ra khỏi nước thải sinh hoạt bằng hệ vi sinh bám dính dựa trên nguyên tắc ăn mòn sinh học (hình 3.12). Vật liệu bám dính có cốt sắt (Fe) được sử dụng trong bể aeroten. Các màng sinh học bám dính lên bề mặt kim loại thực hiện quá trình ăn mòn sinh học liên tục làm nồng độ sắt Fe trong aeroten tăng đột ngột, tạo điều kiện cho quá trình keo tụ hoá lý phosphate được diễn ra nhanh chóng. Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng tăng, đồng thời chỉ số bùn giảm mạnh, khi đó hiệu quả loại bỏ P đạt 100% cho nước thải sinh hoạt. Số lượng cốt sắt cần thiết được tính theo công thức: AFe = AFe : bề mặt cốt sắt cần thiết (m2) Q: lưu lượng nước thải giờ max (m3/h). : nồng độ phosphate vào và ra khỏi công trình xử lý. D: đường kính sợi cốt thép : tải trọng phosphat trên diện tích sợi thép, 1 Nước thải vào Nước thải sau xử lý 1.Vật liệu bám dính cốt sắt aeroten Bể Lắng Bùn dư Hình 2.12. Sơ đồ xử lý P bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn 2.4.5. Loại bỏ hợp chất N, P trong nước thải bằng thực vật thủy sinh: Theo nghiªn cøu ®¸nh gi¸ cña Lª V¨n C¸t (2007) vÒ hiÖu qu¶ xö lý dinh d­ìng cña thuû thùc vËt: Ng­ìng chÞu nång ®é amoni cña thùc vËt thuû sinh: Mçi loµi thùc vËt thñy sinh cã thÓ tån t¹i vµ ph¸t triÓn trong m«i tr­êng cã nång ®é chÊt dinh d­ìng nhÊt ®Þnh. Nång ®é chÊt dinh d­ìng qu¸ cao g©y k×m h·m ph¸t triÓn cho c©y trång thËm chÝ cßn bÞ chÕt (hiÖn t­îng kh« l¸). BÌo tÊm nu«i trong m«i tr­êng cã nång ®é amoni 200-350mg/l chØ tån t¹i ®­îc 3 ngµy vµ chÕt hoµn toµn sau 7 ngµy. Rau muèng cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn b×nh th­êng trong vïng nång ®é amoni 50-350 mg/l. Tèc ®é ph¸t triÓn kh«ng kh¸c nhau nhiÒu trong vïng nång ®é kh¶o s¸t. 2.5. Đề xuất và lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung phù hợp với điều kiện Việt Nam Phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi phổ biến hiện nay là sử dụng bể Biogas để cung cấp khí sinh học cho việc đun nấu, thắp sáng và chạy máy phát điện... Việc xử dụng bể Biogas ở các trang trại chăn nuôi nhằm mục đích xử lý chất thải và khai thác nguồn năng lượng mới. Nhưng nước thải sau bể Biogas vẫn còn nhiều chất gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý trước khi thải vào môi trường. Việc lựa chọn phương pháp và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như: - Lưu lượng nước thải. - Các điều kiện của trại chăn nuôi (khả năng đầu tư xây dựng, diện tích đất xây dựng hệ thống xử lý nước thải). - Hiệu quả yêu cầu xử lý: áp dụng tiêu chuẩn thải đối với ngành chăn nuôi 10-TCN – 678: 2006. Bảng 2.12. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn STT Các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN – 678: 2006 Trước Biogas Sau Biogas 1 pH 5.5 – 7.8 6,9 – 8,0 5-9 2 TDS mg/l 2000 - 4000 800 – 1200 - 3 TSS mg/l 800 - 1500 600 – 900 500 4 COD mg/l 1300 – 3500 800 – 1500 400 5 BOD5 mg/l 800 – 1400 600 – 1000 300 6 N-tổng mg/l 200 – 350 150 – 250 150 7 N-NH4+ mg/l 180 - 280 120 – 220 - 8 N-NO2- mg/l 1 – 3 0,5 – 1,5 - 9 N-NO3- mg/l 15 – 60 10 - 50 - 10 P-tổng mg/l 60-100 40-80 20 Nước thải sau bể Biogas có các yếu tố cơ bản: BOD5/COD =0,67; BOD5: N: P = 12: 3,5: 1. Công nghệ lựa chọn để có thể đáp ứng được điều kiện của các trang trại chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam cần đáp ứng được các tiêu chí quan trọng là: + Chi phí đầu tư xây dựng không cao; + Chi phí vận hành thường xuyên thấp; + Nước thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn (áp dụng mục B - tiêu chuẩn thải đối với ngành chăn nuôi 10-TCN -678: 2006). Trên cơ sở đó đề tài đưa ra 3 sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi tập trung: Dây chuyền công nghệ số 1 được xây dựng thử nghiệm tại trại lợn nhà ông Thanh xã Đông Hưng - Đồng Tâm – Vĩnh Yên – Vĩnh Phúc. Dây chuyền công nghệ số 2 được xây dựng thử nghiệm tại trại lợn Hoàng Liễn – xã Song An – huyện Vũ Thư – tỉnh Thái Bình. Từ đánh giá kết quả của 2 dây chuyền công nghệ xử lý nước thải trên, đề xuất dây chuyền công nghệ số 3, thực hiện xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán các công trình xử lý nước thải theo dây chuyền công nghệ số 3. S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 1: Nước thải chăn nuôi Bể Biogas Bể phân hủy thiếu khí Chuçi hå Sinh häc Nguån tiÕp nhËn BÓ läc sinh häc nhá giät M¸y b¬m KhÝ Biogas N­íc tuÇn hoµn BÓ l¾ng 2 Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 2: N­íc th¶i ch¨n nu«i BÓ Biogas Bể phân hủy thiếu khí Chuçi hå Sinh häc Nguån tiÕp nhËn BÓ Aerotank BÓ l¾ng M¸y thæi khÝ M¸y b¬m KhÝ Biogas Bïn tuÇn hoµn Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 3: N­íc th¶i ch¨n nu«i BÓ Biogas BÓ UASB Chuçi hå Sinh häc Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) KhÝ Biogas M¸y b¬m M­¬ng oxy hãa Nguån tiÕp nhËn BÓ l¾ng 2 Bïn tuÇn hoµn CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 1 Để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung theo sơ đồ dây chuyền công nghệ số 1. Xây dựng mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn công suất 3 – 5 m3/ngày.đêm tại trại lợn nhà ông Thanh xã Đông Hưng – Vĩnh Yên – Vĩnh Phúc. Phân huỷ thiếu khí Läc sinh häc nhá giät Biogas N­íc tuÇn hoµn 1 2 3 Hå sinh häc Th¶i ra MT 4 Ghi chó: 1, 2, 3, 4: C¸c ®iÓm lÊy mÉu BÓ l¾ng 2 3.1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 1 - Nước thải từ hệ thống bể Biogas đã có được tách ra một phần (3-5 m3/ngày), đưa về bể thu gom kết hợp bể kỵ khí có ngăn lọc. - Nước sau bể này được bơm lên bể lọc sinh học nhỏ giọt. Nước sau lọc sinh học nhỏ giọt được tuần hoàn khoảng 20-30% lưu lượng về bể kỵ khí với mục đích pha loãng nước thải trước khi vào bể lọc sinh học cũng như tăng cường khả năng xử lý Nitơ và Phốtpho. - Nước thải còn lại sau lọc sinh học nhỏ giọt tự chảy sang ao sinh học và được xử lý bởi các quá trình thuỷ sinh học tự nhiên nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm. 3.1.2. Kích thước các công trình + Bể kỵ khí: bể kỵ khí kết hợp ngăn lắng, kích thước bể 2x2.5x1.5 (m) + Bể lọc sinh học: kích thước 1x1x2,5 (m). Vật liệu mang sử dụng là sỏi nhẹ d=15-30mm, có 4 lớp vật liệu mang mỗi lớp dày dày 25 cm, giữa các lớp có cửa thu khí ở tường bể. Nước thải được tưới lên bề mặt VLL bằng ống xương cá đục lỗ. + Hồ sinh học: Xây dựng hồ sinh học tùy tiện kích thước 10x4x1,2 m. 3.1.3. Kết quả và thảo luận Sau khi hệ thống xử lý hoạt động ổn định (30 ngày sau khi hệ đạt trạng thái làm việc bình thường). Tiến hành lấy mẫu nước thải tại các điểm (theo sơ đồ 3.2) phân tích các thông số cơ bản (pH, COD, BOD, NH4+, ...) để đánh giá hiệu quả xử lý. Kết quả phân tích chất lượng nước thải được thể hiện trong các bảng (Bảng 3.1 đến 4.5). Bảng 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sau bể Biogas Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678:2006 11/4/2007 19/5/2007 25/6/2007 Cột B 1 pH 7.15 7.21 7.18 5-9 2 TDS mg/l 2011 1879 1946 - 3 TSS mg/l 1330 1188 1295 500 4 N-NH4+ mg/l 425 398 413 - 5 N-NO2- mg/l 0.51 0.65 0.77 - 6 N-NO3- mg/l 115 94 101 - 7 N_tổng mg/l 568 517 515 150 8 P_tổng mg/l 71 65 69 20 9 PO43- mg/l 0.16 0.19 0.18 - 10 COD mg/l 1267 1195 1211 400 11 BOD5 mg/l 572 525 565 300 Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678:2006 02/7/2007 11/8/2007 19/9/2007 Giá trị TB Cột B 1 pH 7.11 7.19 7.21 7.18 5-9 2 TDS mg/l 1958 2145 1890 1972 - 3 TSS mg/l 1298 1310 948.8 1228 500 4 N-NH4+ mg/l 415 396 385 405 - 5 N-NO2- mg/l 0.85 0.91 1.01 0.78 - 6 N-NO3- mg/l 98 105 113 104 - 7 N_tổng mg/l 539 468 499 518 150 8 P_tổng mg/l 62 70 66 67 20 9 PO43- mg/l 0.21 0.19 0.23 0.2 - 10 COD mg/l 1195 1208 1095 1195 400 11 BOD5 mg/l 538 517 485 534 300 Kết quả trên cho thấy nước thải chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải chăn nuôi (COD cao gấp 2.99 lần, BOD gấp 1.78 lần, ∑N cao gấp 3.45 lần, ∑P cao gấp 3.35 lần, TSS cao gấp 2.45 lần, ...) so với tiêu chuẩn ngành. Nếu so với tiêu chuẩn 5945:2005 – cột B (BOD 50, COD 100, SS 100, ∑N 60, ∑P 6) và nguồn tiếp nhận là sông hồ thì các chỉ tiêu này cao hơn rất nhiều lần {Phần lớn các trang trại chăn nuôi ở đồng bằng thì nguồn tiếp nhận thường là sông, ngòi tưới tiêu} Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (sau bể thiếu khí) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 Ngày 12 -18/12/2007 Ngày 19 -25/12/2007 Ngày 26/12/2007 -5/1/2008 1 pH 7.45 7.58 7.62 5-9 2 TSS mg/l 1085 945 830 500 3 N-NH4+ mg/l 385 345 323 - 4 N-NO2- mg/l 4.23 3.65 3.23 - 5 N-NO3- mg/l 145 138 141 - 6 N_tổng mg/l 484 461 431 150 7 P_tổng mg/l 55 48 44 20 8 COD mg/l 1089 921 850 400 9 BOD5 mg/l 485 461 475 300 Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (sau bể lọc SH) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 (cột B) Ngày 12/12/2007 -18/12/2007 Ngày 19/12/2007 -25/12/2007 Ngày 26/12/2007 -5/1/2008 1 pH 7.75 7.65 7.76 5-9 2 TSS mg/l 615 472 465 500 3 N-NH4+ mg/l 305 267 228 - 4 N-NO2- mg/l 25.5 4.6 0.98 - 5 N-NO3- mg/l 215 189 185 - 6 N_tổng mg/l 457 342,20 288,86 150 7 P_tổng mg/l 53,5 42 35 20 8 COD mg/l 684 559 428 400 9 BOD5 mg/l 225 198 201 300 Nhận xét: Kết quả cho thấy sau khoảng 3 tuần hoạt động thì bể hoạt động ổn định, các quá trình diễn ra tại đây là tương đối chậm mặc dù thời gian lưu nước tại đây là khá lớn (ngăn có khuấy trộn- thời gian lưu khoảng 4-6 giờ). Các giá trị ô nhiễm trong nước thải sau bể kỵ khí giảm đáng kể: TSS giảm 32%, COD giảm 28.87%, ∑N giảm 16.7%, ∑P giảm 16.4%, và sau bể lọc sinh học nhỏ giọt các giá trị này giảm lần lượt là 62%, 64%, 44.2% và 48%. Thời điểm đầu (tuần đầu) có sự gia tăng mạnh nồng độ nitrit, sau đó nồng độ nitrit giảm nhanh chóng, là do quá trình nitrat hóa đã diễn ra và nồng độ nitrat đã tăng đột ngột. Ở đây % các giá trị được loại bỏ cho thấy chiều hướng tốt của quá trình xử lý nếu có sự tuần hoàn nước sau xử lý. Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 7.75 7.68 7.71 5-9 2 TSS mg/l 741 682 665 500 3 N-NH4+ mg/l 325 275 263 - 4 N-NO2- mg/l 2.01 1.89 1.54 - 5 N-NO3- mg/l 175 211 179 - 6 N_tổng mg/l 398 367,13 350,94 150 7 P_tổng mg/l 49 45 46 20 8 COD mg/l 989 921 935 400 9 BOD5 mg/l 415 394 405 300 Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 (cột B) Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 7.91 7.85 8.01 5-9 2 TSS mg/l 345 298 314 500 3 N-NH4+ mg/l 198 205 189 - 4 N-NO2- mg/l 0.43 0.32 0.21 - 5 N-NO3- mg/l 245 255 238 - 6 N_tổng mg/l 248 235 237 150 7 P_tổng mg/l 35 31 32 20 8 COD mg/l 331 335 322 400 9 BOD5 mg/l 155 138 125 300 Nhận xét: Lượng nước tuần hoàn đã làm quá trình oxy hóa các chất diễn ra tốt hơn, mặc dù chưa khảo sát được chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn nhưng theo các tài liệu thì đây là một tỷ lệ khá tối ưu. Nồng độ các chất ô nhiễm còn lại là TSS 25%, COD 27%, ∑N 46%, ∑P 47%. Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (Sau hồ sinh học) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678: 2006 Ngày 12- 18/12/07 Ngày 19 -25/12/07 Ngày 26/12/07 -5/1/08 Giá trị TB 1 pH 7.89 7.98 8.01 5-9 2 TSS mg/l 165 113 108 500 3 N-NH4+ mg/l 175 138 118 - 4 N-NO2- mg/l 55 11 3 - 5 N-NO3- mg/l 255 131 75 - 6 N_tổng mg/l 265 191 168 150 7 P_tổng mg/l 38,2 36,5 32,4 20 8 COD mg/l 515 458 352 400 9 BOD5 mg/l 165 157 146 300 Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678: 2006 Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 8.02 8.14 8.11 5-9 2 TSS mg/l 165 113 108 500 3 N-NH4+ mg/l 152 138 118 - 4 N-NO2- mg/l 0.25 0.15 0.21 - 5 N-NO3- mg/l 87 69 65 - 6 N_tổng mg/l 222,45 199,93 185,65 150 7 P_tổng mg/l 28,2 26,5 22,4 20 8 COD mg/l 275 298 252 400 9 BOD5 mg/l 135 127 116 300 Bảng 3.8: Đánh giá tổng hợp hiệu quả xử lý và kết quả sau các quá trình Chỉ tiêu Đầu vào (mg/l) Bể thiếu khí có ngăn lắng Bể lọc sinh học nhỏ giọt Hồ sinh học Hiệu suất xử lý (% ) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) TSS 1228 45.85% 665 52.78% 314 65.61% 108 91.21% N-NH4+ 405 35.06% 263 28.14% 189 37.57% 118 70.86% N_tổng 518 32.25% 350,94 32.47% 237 21.67% 185,65 64.16% P_tổng 67 31.34% 46 30.43% 32 30.00% 22,4 66.57% COD 1195 21.76% 935 65.56% 322 21.74% 252 78.91% BOD5 534 24.16% 405 76.54% 125 7.20% 116 78.28% Hình 3.2. Nồng độ các chất ô nhiễm tại từng giai đoạn thời gian - Chi phí đầu tư xây dựng thấp (tổng chi phí: 27.000.000đ, suất đầu tư khoảng 9triệu/1m3). Chi phí xử lý 1 m3 nước thải là: 1.800đ - Công nghệ không phức tạp, vận hành đơn giản, diện tích xây dựng ít; - Trong thời gian thử nghiệm có lúc nhiệt độ ngoài trời xuống thấp hơn 100C trong một khoảng thời gian khá dài (cuối tháng 12 đến giữa tháng 01/2008) do đó hiệu quả xử lý không cao, với điều kiện thời tiết bình thường có thể cho hiệu quả xử lý cao hơn. - Theo bảng 3.1: cho thấy nước thải sau Biogas chứa nhiều chất hữu cơ và các chất khác có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Chất lượng nước thải sau bể Biogas có chất lượng khá ổn định. - Kết quả cho thấy nước thải sau khi xử lý: COD 288,33mg/l (400mg/l); BOD5 102,67mg/l (300mg/l); TSS 128,67mg/l (500mg/l) – (trong ngoặc là giá trị tiêu chuẩn cho phép 10 - TCN- 678:2006). - Đối với các chỉ tiêu về N, P còn vượt xa tiêu chuẩn TCN – 678:2006: Ntổng = 202,68mg/l (150mg/l), P = 35,7mg/l (20mg/l). Kết quả này cũng nằm trong dự đoán khi đưa ra dây chuyền công nghệ, nhưng chi phí đầu tư xây dựng công trình thấp đó cũng là tiêu chí lựa chọn của các trang trại nuôi lợn. 3.2. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 2 Để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn theo s