Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ lọc ngược bùn sinh học usbf trong phòng thí nghiệm (upflow sludge bio filter)

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF Bảng .2.3 : thành phần hoá học của nước tiểu heo có trong trọng lượng từ - Ổ lót: như rơm rạ, v

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ – BÁN CÔNG TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

-o0o-

Đề tài:

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ LỌC NGƯỢC BÙN SINH HỌC USBF TRONG PHÒNG

THÍ NGHIỆM (Upflow Sludge Bio-Filter)

Luận văn tốt nghiệp : CNKH

Chuyên ngành : Môi Trường

GVHD : TS TRƯƠNG THANH CẢNH SVTH : PHÙNG VŨ HIỆP

MSSV : 39630048

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2005

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt kết quả học tập cũng như nội dung cuốn luận văn tốt nghiệp này em xin bày tỏ lòng biết ơn tới

Ban giám hiệu nhà trường cùng quý thầy cô khoa công nghệ sinh học trường đại học mở bán công thành phố Hồ Chí Minh đã dạy bảo và hướng dẫn đồng thời tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt nhiệm vụ của một sinh viên Trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn TS Trương Thanh Cảnh người đã trực tiếp hướng dẫn em nghiên cứu đề tài này, cùng các thầy cô đang công tác tại phòng thí nghiệm và phân tích môi trường trường ĐH KHTN, đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong thời gian thực tập tại trường

Xin cảm ơn tới tất cả các bạn sinh viên trong và ngoài lớp, các bạn sinh viên khoa môi trường trường ĐHKHTN đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực tập và tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

Minh Tp Hồ Chí Ngày Tháng Năm

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo 3

2.1.1 Khái niệm về nước thải chăn nuôi heo 3

2.1.2 Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo 3

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo 4

2.1.4 Ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi heo 7

2.1.5 Quản lý ô nhiễm từ chăn nuôi 10

2.2 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo 12

2.2.1 Phương pháp vật lý 12

2.2.2 Phương pháp hoá lý 12

2.2.3 Phương pháp hoá học 12

2.2.4 Phương pháp sinh học 13

2.3 Tổng quan về công nghệ lọc ngược bùn sinh học USBF 15

2.3.1 Sơ lược về mô hình 15

2.3.2 Các quá trình xảy ra trong mô hình 16

Chương 3 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mô hình nghiên cứu 25

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động 27

3.1.3 Phương pháp vận hành mô hình 28

3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống 32

3.2 Phương pháp theo dõi các chỉ tiêu USBF 33

3.2.1 Phương pháp nuôi bùn và kiểm tra sư thích nghi của bùn 33 3.2.2 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu 34

3.2.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 35

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH 4.1 Kết quả phân tích các mẫu nước thải chưa qua xử lý 36

4.2 Sự thay đổi các thông số vận hành trong quá trình nghiên cứu 36

4.3 Kết quả nghiên cứu sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính 42 4.5.1 Chỉ số SVI 42

4.5.2 Tốc độ hô hấp của bùn hoạt tính 45

4.4 Tính toán các thông số động học K, Y, Kd, KS và µmax 46

4.5.1 Tính toán K, KS 46

4.5.2 Tính toán Y, Kd và µmax 47

4.5 Nghiên cứu quá trình khử COD 49

4.5.1 Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo nồng độ bùn 52

4.5.2 Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo nồng độ 54

4.5.3 Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo HRT 54

4.5.4 Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo SRT 55

4.5.5 Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo L 56

4.6 Sự thay đổi DO và pH sau quá trình 56

4.7 Hiệu quả xử lý SS 59

4.8 Hiệu quả xử lý BOD 60

4.9 Nghiên cứu quá trình loại N 62

4.10 Nghiên cứu quá trình loại P 66

4.11 Nhận xét chung 67

Chương 5

Kết luận và kiến nghị

5.1 Kết luận 68

5.2 Kiến nghị 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO

➢ Tài liệu tiếng Việt

➢ Tài liệu tiếng Anh

PHỤ LỤC

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIÊN ĐỀ TÀI

1

BẢNG GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

COD : Nhu cầu ôxy hoá học ( Chemical Oxygen Demand )

BOD : Nhu cầu ôxy sinh hoá ( Biological Oxygen Demand )

DO : Hàm lượng ôxy hoà tan ( Dissolved Oxygen )

FFS : Chất rắn cố định bay hơi ( Fixed Firable Solids )

HRT : Thời gian lưu nước ( Hydraulic Detention Time )

MLSS : Rắn huyền phù ( Mix Liquor Suspended Solids ),

đặc trưng cho nồng độ bùn hoạt tính

SBR : Hệ thống phản ứng theo mẻ liên tục

( The Sequencing Batch Reactor )

SRT : Tuổi của bùn ( Solids Retention Time )

SS : Hàm lượng chất rắn lơ lửng ( Suspended Solids )

TS : Tổng chất rắn (Total Solids )

RBCOD : Phần hữu cơ bị phân huỷ sinh học dễ dàng

(Readily Biodegradeable COD )

SBCOD : Phần hữu cơ bị phân huỷ chậm chạp

(Readily Bioderadeable COD )

TOC : Tổng carbon hữu cơ ( Total Organic Carbon )

PAO : Các vi sinh vật có khả năng tích luỹ phospho

(Phosphorus Accumulating Oganisms )

AOB : Vi khuẩn ôxy hoá ammonia ( Ammonia Oxidizing Bacterria ) TKN : Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen)

F/M : Tỷ số thức ăn và vi sinh vật (Food To Microorganism Ratio )

SVI : Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index )

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

USBF : L ọc ngược bằng lớp bùn ( The Upflow Sludge Blenket Filtration )

SBR : phản ứng theo mẻ ( Sequencing Batch Reator )

NTCN : Nước thải chăn nuôi

CTV : Cộng tác viên

ONMT : Ô nhiễm môi trường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

➢ TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

1 Bộ KHCN & MT (1995), “Nước thải công nghiệp – tiêu chuẩn thải lượng

nước mặt (TCVN 5945- 1995)” Tiêu chuẩn Việt Nam 1995

2 Bộ KHCN & MT (1995),” tiêu chuẩn chất lượng nước mặt (TCVN 5942 –

1995)” Tiêu chuẩn Việt Nam 1995

3 CEFINEA (1997),”Báo cáo đề tài nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải,

khí thải một số cơ sở trong điểm ở tp.HCM”

4 Trương Thanh Cảnh, Nguyễn Kim Đường (1997)” Aûnh hưởng của các yếu

tố trong khẩu phần ăn đến con đường bài tiết nitơ, và thành phần hoá học của phân, nước tiểu ở lợn vỗ béo “ Nông nghiệp và công nghiệp thực

phẩm , tạp chí khoa học & quản lý kinh tế

5 Trương Thanh Cảnh, Phan Đình Xuân Vinh (1999), “Tình hình ô nhiễm

môi trường của ngành chăn nuôi, các giải pháp ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón “ Kỷ yếu hội thảo “Kiểm soát ô nhiễm môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị Đồng Nai”(ngày

25/09/1995)sở khoa học-công nghệ môi trường Đồng Nai

6 Lê Thị Diệu (1999)”Nghiên cứu xây dựng các giải pháp quản lý môi

trường thích hợp cho các cơ sở chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ tại tp.HCM “

Luận văn cao học

7 Trịnh Xuân Lai (2000)” Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải “

Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội

8 Phạm Thị Thu Lan (2000)”Xây dựng các biện pháp quản lý kinh tế nhằm

hạn chế ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi tại tp.HCM” Luận văn

cao học

9 Nguyễn Đức Lượng –Nguyễn Thuỳ Dương (2003).”Công nghệ sinh học

môi trường, tập 1 công nghệ xử lý nước thải “ Nhà xuất bản Đại học Quốc

gia tp.HCM

10 Th.s Võ Văn Huy , Th.s Võ Thị Lan, Th.s Hoàng Trọng (1997), “ứng

dụng SPSS for Window để xử lý và phân tích dữ liệu” Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật

11 Nguyễn Hoa Lý (1994)”Nghiên cứu các chỉ tiêu nhiễm bẩn của nước thải

chăn nuôi heo tập trung và áp dụng một số biện pháp xử lý “luận án PTS

nông nghiệp, Đại học Nông Lâm tp.HCM

12 Nguyễn Xuân Nguyên (2005) “Lý thuyết và mô hình hoá quá trình xử lý

nước thải bằng phương pháp sinh học“ Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật

13 Lương Đức Phẩm (2002)”Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh

học “ Nhà xuất bản Giáo Dục

14 Nguyễn Khoa Việt Trường (1997) “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý

nước thải Công ty chăn nuôi Long An “

15 UBND tỉnh Đồng Nai, Sở Tài nguyên & Môi trường (2004) “Báo cáo hiện

trạng môi trường tỉnh Đồng Nai năm 2004 “ Biên Hoà tháng 6/2004

➢ Tài liệu tiếng Anh

16 Taiganides and Hazen, 1966; Dale G.Frederick, 2002; Greg Johnson et al,

2004

17 British Pig Executive (2005), “You Can’t See It But Diffuse Pollution Could

You Dear”

18 Dean Pond, Black & Veath (2004), “2004biological wastewater treatment

operations school – advanced treatment systems” May 13, 2004

19 Dale G.Frederick (2002), “Aplication of Anoxic / Aaerobic (A/A) biological

treatment to swine wastewater” The Deparment of Biological and

Agcutural Engineering, Univercity of Southwestern Louisiana

20 Daker, D S Kinnear, D J, and Wahlberg, E J, (2001), “Review of

Folklore in the Design and Operationt of Secondary Clarifiers” Journal of

Environmental Engineering, 127 (6), 467-484

21 C P Leslie Grady, Glen T Daigger &Henry C Lim (1999), “Biological

Waswater Treatment”, Second Edition, Marcel Dekker, In, USA

22 Daigger, G, T and Nichoson, G A (1990), “Performance of Full-Scale

Nitrifying Wastewater Treatment Plants Incorporating Selectors” Res J

Water Pollut Control Fed , 62 (5), 676-683

23 Water Polution Control Feration (WPCF) (1994), “Activated Sludge

Manual of Practice NO.OM -9” Alenxandria, VA 22314-1994

24 Water Environmental Feration (WEF) (1994), “Basic Activated Sludge

Process Control ”.Problem – Related Operation – Based Education

Alexandria, VA 22314-1994

25 Ron Sharman (1997), “Interpretation of Oxygen uptake test results” Water

& Wastewater Technogy LBCC (http://www.linnbenton.edu/process/)

PHỤ LỤC

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ô nhiễm môi trường (ONMT) trong giai đoạn hiện nay đang là một vấn đề hết sức cấp bách cần phải được giải quyết một cách triệt để Trong đó, ONMT

do chăn nuôi phát sinh ra là một vấn đề cần phải được chú ý và quan tâm, các nguồn thải phát sinh từ chăn nuôi bao gồm, nước thải, khí thải, và chất thải rắn Ngành chăn nuôi phát triển song song cả 3 quy mô lớn vừa và nhỏ phân bố trong tất cả các khu vực dân cư, do vậy lượng chất thải do chăn nuôi phát sinh ra môi trường cũng rất phức tạp, để khống chế được ô nhiễm là một vấn đề hết sức khó khăn Các khu chăn nuôi tập chung các trang trại hoặc những gia đình chăn nuôi với quy mô lớn có thể xử lý chất thải theo quy chế tuỳ thuộc vào mức độ đầu tư và khả năng huy động vốn Tuy nhiên, ở những trại chăn nuôi vừa và nhỏ hoặc hộ gia đình, thì chất thải do chăn nuôi sinh ra thường được thải tự nhiên vào môi trường, gây ô nhiễm môi trường đất nước và không khí Đó chính là lý do vì sao hiện nay việc xử lý các chất thải nhất là nước thải chăn nuôi, để loại bỏ khả năng gây ô nhiễm của chúng là một vấn đề hết sức cần thiết

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải được áp dụng ở các nguồn thải khác nhau, trong đó phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học trong các nguồn thải có giàu dinh dưỡng được áp dụng nhiều nhất Thông thường để thiết kế một hệ thống xử lý nước thải điều cần chú ý và được quan tâm nhiều nhất là, hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm, khả năng áp dụng hệ thống vào thực tế Trên thế giới có rất nhiều loại mô hình công nghệ khác nhau được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi Ở nước ta, nước thải chăn nuôi đang ngày càng là một vấn đề nan giải Trong đó công tác quản lý ô nhiễm còn nhiều hạn chế, do

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

hạn chế về điều kiện kinh tế Vì vậy việc tìm ra một công nghệ xử lý thích hợp để áp dụng vào thực tế đang còn là vấn đề quan tâm của các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường

Để góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi và góp phần đa dạng hoá phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc dòng ngược sinh học “ USBF

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

+ Nghiên cứu trong mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học áp dụng phương pháp lọc sinh học dòng ngược

+ Góp phần đa dạng hoá các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi, làm giảm

thiểu ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi gây nên

+ Góp phần phân huỷ ô nhiễm môi trường do chăn nuôi, thúc đẩy phân tích bền vững ngành chăn nuôi

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

2.1.1 Khái niệm nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi heo (NTCNH) là nước sau khi được sử dụng cho mục đích chăn nuôi heo, gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm heo, nước vệ sinh chuồng trại, máng ăn và nước làm mát cho chuồng trại…

2.1.2 Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo

Chất thải từ các hoạt động chăn nuôi chủ yếu là phân, nước tiểu, nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Thành phần chất thải thay đổi phụ thuộc vào từng chủng, loại, giai đoạn sinh trưởng, chế độ dinh dưỡng và sự thay đổi khí hậu Tính chất và nồng độ các chất có trong nước thải phụ thuộc vào lượng thức ăn, khẩu phần ăn, thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom chất thải trong chuồng hay lượng nước sử dụng khi vệ sinh chuồng trại hoặc tắm rửa gia súc

Bảng 2.1 : tính chất của nước thải chăn nuôi

Nguồn : Trương Thanh Cảnh & ctv 1997-1998

Theo nghiên cứu của tác giả thì nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải là rất cao, nếu thải tự do ra môi trường thì hậu quả gây ô nhiễm sẽ rất trầm trọng

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Nhận xét chung

- Dòng thải từ chăn nuôi heo có khả năng gây ONMT đất, nước, không khí rất

lớn, nó có thể gây ô nhiễm tức thời hoặc tiềm ẩn

- Một trong những nguồn gây ô nhiễm đáng chú ý là khí thải và nước thải vì chúng có khả năng gây ô nhiễm đến các thành phần khác của môi trường và có mức độ linh động cao, có thể lan truyền rộng

- Tính đặc trưng của NTCNH là: nhiều chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ hòa tan, hàm lượng các chất dinh dưỡng cao và chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần và tính chất nước thải

chăn nuôi heo

Bao gồm: Khu vực phát thải, đặc điểm và số lượng các cơ sở chăn nuôi, quy mô sản xuất, đặc điểm con giống, thức ăn, kĩ thuật chăm sóc, hệ thống thu gom và xử lý chất thải, điều kiện khí hậu, ý thức người dân, sự quản lý của các cấp chính quyền…

Thành phần rất đa dạng nó biến thiên phụ thuộc vào chế độ dinh dưỡng, thành phần dinh dưỡng, loại heo, giai đoạn tăng trưởng

Thành phần dòng thải từ chăn nuôi có thể phân ra thành các nhóm sau: phân, nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại và tắm heo Xác heo chết, ổ lót và thức ăn thừa

2.1.3.1 Thành phần của phân

Phân heo được bài tiết hàng ngày ở dạng rắn hoặc hơi lỏng, có thể chia các thành phần chất thải trong phân heo thành 2 nhóm riêng biệt

Chất thải rắn và chất thải lỏng : Trong phân, thành phần hóa học đáng nói nhất là N, chiếm từ 7,99-9,32 g/kg (Trương Thanh Cảnh và ctv, 1997, 1998) Đây là là nguồn dinh dưỡng có giá trị cho cây trồng, góp phần cải tạo đất Ở một số nước có nền chăn nuôi phát triển, nguồn phân bón từ heo đóng vai trò quan trọng

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

trong nông nghiệp, bảo vệ đất và chống xói mòn Phân heo tươi còn chứa nhiều loại muối khoáng khác nhau, các muối chính bao gồm canxi, magiê, muối sulfur, sắt, muối đồng và các kháng sinh

(Taiganides and Hazen, 1966; Paca, 1980; Dale G.Frederick, 2002)

Ngoài ra, phân heo chứa nhiều thành phần vi sinh gây bệnh như virus, vikhuẩn, trứng giun sán, ấu trùng Chúng có thể tồn tại trong môi trường một thời gian dài, gây ô nhiễm môi trường

Bảng.2.2 : Thành phần hóa học của phân heo từ 70 – 100 kg

Đặc tính Hàm lượng Đơn vị

Các axit béo mạch ngắn 3,83 – 4,47 g/kg

Nguồn: Trương Thanh Cảnh & ctv, 1997,1998

2.1.3.2 Thành phần nước tiểu

Các thành phần trong nước tiểu chăn nuôi, nước chiếm khoảng 90% , 10% còn lại bao gồm các chất như, nitơ (phần lớn dưới dạng urê) và phốt pho Urê trong nước tiểu dễ phân huỷ trong điều kiện có ôxy Do đó khi động vật bài tiết

ra bên ngoài chúng dễ dàng phân huỷ tạo thành khí amoniac có mùi hôi Nhưng nếu sử dụng bón cho cây trồng thì đây chính là nguồn phân bón giàu nitơ

phốtpho và kali

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Bảng 2.3 : thành phần hoá học của nước tiểu heo có trong trọng lượng từ

- Ổ lót: như rơm rạ, vải, gỗ… dùng để lót chuồng, che chắn, giữ độ ẩm, chúng cũng có tác dụng hấp thụ mùi hôi trong chuồng trại Sau một thời gian sử dụng, chúng được thải ra Cần phải được thu gom và xử lý vì chúng có thể mang theo phân, nước tiểu và VSV gây bệnh

- Các chất thải phát sinh từ hoạt động thú y: bao gồm các lọ thuốc kháng sinh, ống tiêm và các dụng cụ khác… Phục vụ cho công tác khám-chữa bệnh, và chăm sóc sức khỏe cho heo Các chất thải này không nhiều nhưng cần phải được quan tâm chặt chẽ

Xác heo chết, nhất là do dịch bệnh là nguồn ô nhiễm nguy hiểm vì mang mầm bệnh gây hại cho con người và gia súc Do đó, chúng cần được xử lý thiêu hủy

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

2.1.4 Ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi heo

Thành phần chất thải chăn nuôi heo bao gồm các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh

Học, các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho, các chất khoáng, các chủng VSV lây và truyền bệnh Những thành phần thải vào môi trường, nếu không được xử lý sẽ tác động mạnh mẽ đến môi trường đất, nước và không khí Ngoài ra còn lan truyền bệnh tật cho con người và vật nuôi

2.1.4.1 Ô nhiễm môi trường đất

Các chất dinh dưỡng có trong phân và nước thải từ các hoạt động chăn nuôi, nếu đem bón vào cây hoặc dùng để cải tạo đất với một mức độ hợp lý thì sẽ cho một kết quả tốt và đồng thời tăng độ phì nhiêu của đất Tuy nhiên, do chứa nhiều chất hữu cơ và các chất chứa nitơ, phốt pho, nếu sử dụng chúng không hợp lý hoặc sử dụng chúng ở dạng tươi, cây trồng sử dụng không hết sẽ có tác dụng ngược lại Như làm mất cân bằng dinh dưỡng trong đất gây phú dưỡng, sự phân hủy các chất hữu cơ và các hợp chất chứa N, P sẽ gây ngộ độc cho cây, làm thối rễ và chết

2.1.4.2 Ô nhiễm môi trường nước

Theo Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Đồng Nai năm 2004, hầu hết các

cơ sở nuôi heo đều thải trực tiếp chất thải ra ao, hồ, sông suối, đồng ruộng hay dồn vào một hố lớn rồi để thấm từ từ vào đất Cũng có một số trang trại chăn nuôi đã sử dụng hầm biogas nhưng so với tổng thể còn quá ít, trong nhiều trường hợp hiệu quả sử dụng mang lại còn thấp

Tình hình tương tự cũng diễn ra đối với các tỉnh khác trong đó, đặc biệt là ở thành phố Hồ Chí Minh có ngành chăn nuôi phát triển Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải ở các cơ sở chăn nuôi quốc doanh và các hộ gia đình cho thấy

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ và vi sinh khá cao, không được phép thải trực

tiếp ra môi trường

Bảng.2.4: Thành phần nước thải ở một số trại heo quốc doanh tại TP HCM

Nguồn: Viện khoa học Nông nghiệp miền Nam, 1996

Bảng 2.5: Kết quả phân tích vi sinh mẫu nước giếng của các hộ gia đình

◦ Nơi lấy mẫu ◦ E.coli

Nguồn: Viện Khoa học Nông nghiệp miền Nam, 1996

Các kết quả phân tích mẫu nước giếng, tại các xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh

và một số hộ gia đình ở thành phố Hồ Chí Minh cho thấy nguồn nước ngầm ở

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

các khu vực này đã bị ô nhiễm, nhất là ô nhiễm vi sinh, nên không sử dụng được cho mục đích sinh hoạt cung như ăn uống của người dân Nguyên nhân do chưa quản lý được chất thải do chăn nuôi phát sinh Nhưng đơn vị hoặc những hộ gia

đình đã có hệ thống xử lý thì vẫn chưa được hoàn chỉnh (Phạm Thị Thu Lan,

1999)

2.1.4.3 Ô nhiễm môi trường không khí

Khí thải sinh ra bao gồm bụi và các hợp chất hữu cơ gây mùi Các hợp chất hữu cơ này được tạo thành do sự phân hủy sinh học hiếu khí, kỵ khí Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (1999), thì quá trình phân giải các chất thải của gia súc, do vi sinh vật như sau:

Alochol Aldehydes và Ketones Trong hoạt động chăn nuôi, khí thải sinh ra chủ yếu là do quá trình VSV phân hủy các chất thải của động vật và thức ăn thừa Khí thải được sinh ra tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, phương thức thu gom, bảo quản và xử lý nước thải mà sinh ra các loại khí khác nhau Theo tác giả Trương Thanh Cảnh (1999), các khí này được chia ra theo các nhóm sau đây:

+ Nhóm 1: Các loại khí gây kích thích

Nhóm này gây tổn thương hệ hô hấp, đặc biệt là gây tổn thương niêm mạc đường hô hấp Chúng bao gồm: H2S, NH3, Indole, schatole và phenol ở nồng độ

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

bán cấp tính Ngoài ra NH3 còn gây nên hiện tượng kích thích thị giác, làm giảm

thị giác

+ Nhóm 2 : Các khí gây ngạt

Các khí gây ngạt đơn thuần như CH4, CO2, những chất này trơ về mặt sinh lý

Tuy nhiên nếu hít phải với nồng độ cao sẽ làm khả năng tiếp nhận oxy của quá

trình hô hấp và gây nên hiện tượng ngạt

Các khí gây ngạt hóa học như: CO, do chúng kết hợp với Hemoglobin của hồng

cầu máu làm ngăn cản quá trình thu nhận hoặc sử dụng Oxy của các mô bào

+ Nhóm 3: Các khí gây mê

Trong nhóm này các hydrocacbon, ảnh hưởng nhỏ hoặc không ảnh hưởng đến

phổi nhưng khi được hô hấp vào máu thì có tác động như dược phẩm gây mê

+ Nhóm 4: các chất khác

Những chất khí này bao gồm các nguyên tố và các chất độc dạng dễ bay hơi

Chúng có nhiều tác dụng độc khác nhau khi hấp thụ vào cơ thể chẳng hạn như

khí phenol ở nồng độ cấp tính

Bảng.2.6: chất lượng không khí khu vực chăn nuôi của các xí nghiệp chăn nuôi

VỊ TRÍ LẤY MẪU

HÀM LƯỢNG CHẤT Ô NHIỄM

( mg/m3 )

Xí nghiệp giống cấp 1

Khu vực văn

phòng

Khu vực chăn nuôi

Xí nghiệp chăn nuôi heo phước long

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

phòng Khu vực chăn nuôi

Xí nghiệp chăn nuôi 3/2

Khu vực văn

phòng

Khu vực chăn nuôi

Tcvn 5937-

5938/1995

Nguồn : viện khoa học nông nghiệp miền nam ,1999

2.1.5 Quản lý ô nhiễm từ chăn nuôi

Với tính chất và mức độ gây ô nhiễm môi trường của chăn nuôi heo nói trên,

việc quản lý chất thải chăn nuôi heo thật sự cần thiết và có ý nghĩa rất lớn

Mục tiêu của quản lý chất thải chăn nuôi heo là:

- Tạo môi trường thuận lợi cho heo phát triển

- Ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí cùng với

những hậu quả của chúng

- Bảo vệ sức khỏe cho những người trực tiếp tham gia sản xuất và cộng đồng

dân cư sống xung quanh khu vực chăn nuôi

- Hạn chế sự lan truyền bệnh do côn trùng

- Bảo đảm lợi ích kinh tế với lợi ích môi trường nhằm phát triển bền vững

Để đạt được các mục đích trên, phải dựa trên các nguyên tắc

- Thu gom và xử lý càng sớm càng tốt, các giải pháp phải đồng bộ và thống

nhất

- Việc thu gom chất thải chăn nuôi heo phụ thuộc tính chất của chất thải và quy

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Tại chuồng trại, phân và nước tiểu được tách và thu gom riêng biệt Tùy theo độ ẩm của phân mà phân được thu gom theo các kiểu khác nhau: nếu phân có độ ẩm nhỏ hơn 80% thì thu gom kiểu thu gom phân rắn (hốt, đẩy, vận chuyển bằng băng tải…) Nếu độ ẩm lớn hơn 80% thì thu gom theo kiểu thu gom phân lỏng

(Phạm Thị Thu Lan, 1999) Ở nước ta, các hộ nông dân thường dùng rơm, rạ làm

vật liệu lót Điều này có lợi vì rơm rạ có thể hạn chế được mùi, tách được phần rắn và phần nước lỏng sau đó ủ làm phân Trong khi đó, một số xí nghiệp và các hộ gia đình có bầy heo với số lượng lớn, phần lớn phân được hốt để ủ làm phân bón, phần phân còn lại dùng nước rửa điều này tạo ra một lượng nước thải khá

lớn với nồng độ khá cao (CEFINEA, 1997) Ở một số nước có ngành chăn nuôi

heo phát triển, việc thu gom và tách chúng được thực hiện bằng cơ giới hoá

❖ Vận chuyển và lưu trữ

Phân và nước thải cần vận chuyển đúng phương pháp, tránh rơi vãi, rò rỉ hay bốc mùi hôi thối trên đường đi đến nơi lưu trữ và xử lý Dụng cụ vận chuyển có thể là thùng, sọt, xe đẩy tay hay phương tiện cơ giới như băng tải, xe cơ giới, gàu múc… Trường hợp chuyển phân lỏng có thể dùng bơm hoặc ống dẫn đưa thẳng tới hồ chứa Nơi lưu trữ có thể là hồ chứa, bãi chứa phân hoặc các thùng chứa tạm thời (để đưa vào hệ thống xử lý) Khu vực chứa phân nên được cách ly với chuồng trại, khu nhà ở để tránh ảnh hưởng tới con người và gia súc, phải có biện pháp khử trùng và xử lý mùi hôi để tránh thu hút ruồi, gián và các côn trùng khác

❖ Xử lý

Nhằm loại bỏ các chất thải phát sinh đã qua các giai đoạn giảm thiểu tại nguồn Đây là giai đoạn cần thiết và bắt buộc để đạt được chất lượng dòng thải cho phép khi thải vào nguồn tiếp nhận Giai đoạn này gồm xử lý phân, nước thải và

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

mùi Theo lý thuyết, các phương pháp được áp dụng như phương pháp vật lý, hóa lý, hóa học và phương pháp sinh học

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI

HEO

Bao gồm các phương pháp : phương pháp vật lý, phương pháp hoá lý, phương pháp hoá học, phương pháp sinh học :

2.2.1 Phương pháp vật lý

Phương pháp này thường dược áp dụng ở đoạn đầu tiên của quá trình, nhằm loại bỏ phần rắn và cặn trước khi đưa vào xử lý Các thiết bị thường dùng là song chắn rác, lưới chắn (lưới từ tính hoặc lưới rung) hay thiết bị ép xoắn vít

2.2.2 Phương pháp hoá ly.ù

Do trong chất thải có chứa một số chất có kích thước nhỏ, không thể tách ra được bằng phương pháp cơ học, do tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao.Vì vậy, để tách những chất này ra khỏi nguồn nước thải có thể dùng các chất keo tụ như : phen sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ Chúng sẽ liên kết với những hạt có kích thước nhỏ tạo thành những bông keo có kích thước lớn, từ đó tách chúng ra dễ dàng bằng phương pháp cơ học Theo nghiên cứu của TS Trương Thanh Cảnh (2001) ở trại chăn nuôi 2/9, cho thấy dùng phương pháp keo tụ có thể tách được từ 80%-90% tổng chất rắn lơ lửng

2.2.3 Phương pháp hoá học

Phương pháp này rất ít được sử dụng:

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Nguyên tắc là sử dụng chất ô xy hóa mạnh như clo, để ôxy hoá các chất ô nhiễm

trong nước thải, trong đó có VSV truyền bệnh Phương pháp này thường được sử

dụng để khử trùng nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

2.2.4 Phương pháp sinh học

Được dùng phổ biến nhất và thường được áp dụng sau các phương pháp cơ

học hay hóa học Phương pháp này sử dụng các VSV để thực hiện các quá trình

xử lý kỵ khí, hiếu khí, tùy nghi, lọc sinh học… Để thực hiện quá trình khử carbon,

nitrat hóa, khử nitrat, loại bỏ phosphate, lưu huỳnh… Các VSV chủ yếu là vi

khuẩn dị dưỡng, sử dụng các chất hữu cơ trong nước thải như một nguồn dinh

dưỡng để cung cấp năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển

Một số phương pháp sinh học điển hình thường được sử dụng Phương pháp dùng

hồ chuẩn, vùng đất ngập nước nhân tạo, lọc sinh học, mô hình xử lý kỵ khí

UASB, mô hình phản ứng theo mẻ SBR

2.2.4.1 Phương pháp dùng hồ chuẩn

Hầu hết người ta sử dụng hồ kỵ khí để xử lý nước thải chăn nuôi heo vì nó đơn

giản, ít tốn kém lại hiệu quả có khả năng kiểm soát được mùi Tuy nhiên, khi tải

trọng quá cao hay lượng chất hữu cơ quá lớn cho vào không thường xuyên sẽ

gây mất cân bằng trong hồ, hiệu suất xử lý giảm và mùi sẽ phát sinh Đó chính

là yếu điểm của phương pháp này khiến người ta ít áp dụng rộng rãi Ngoài ra còn có thể sử dụng hồ tùy nghi để xử lý nước thải, hồ tùy nghi thường

được sử dụng như hồ xử lý cấp 2, có phần trên hiếu khí và phần dưới kỵ khí Do

đó, nếu hồ kỵ khí không đủ diện tích bề mặt hay không sản sinh ra ôxy ở lớp

nước bề mặt thì nó trở thành hồ kỵ khí Vấn đề này giải quyết bằng cách trang bị

thiết bị sục khí ở lớp nước bề mặt để tạo sự phân lớp trong hồ (sự hiếu khí được

chứng minh là không sản sinh mùi) (Greg Johnson et al, 2004; Lương Đức Phẩm,

2002)

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

2.2.4.2 Phương pháp dùng đất ngập nước nhân tạo

Đất ngập nước nhân tạo được sử dụng cách đây hơn 40 năm nhưng chỉ được sử dụng rộng rãi trong hơn 20 năm qua Phương pháp này được sử dụng nhiều ở các nước phát triển vì những ưu điểm như rẻ tiền, dễ vận hành, thân thiện với môi trường, sử dụng hệ sinh thái để làm sạch (nên được mọi người quan tâm) Có tính thẩm mỹ cao tạo được thảm thực vật xanh, áp dụng cho nhiều loại nước thải

ở nhiều điều kiện khí hậu khác nhau Xử lý được nhiều chỉ tiêu nhất là, lượng coliform trong phân (FCB- Fecal Coliform Bacteria) có thể giảm đến 90% Xử lý chất thải chủ yếu là quá trình trao đổi chất của VSV Thực vật ít đóng vai trò trong xử lý trực tiếp, nhưng chúng đóng vai trò rất quan trọng đối với toàn bộ hệ thống vì sự phát triển của rễ sẽ tạo bề mặt cho các VSV bám vào đó để thực

hiện quá trình trao đổi chất (Greg Johnson et al, 2004)

2.2.4.3 Phương pháp phản ứng theo mẻ SBR

SBR (Sequencing Batch Reactor) Bể phản ứng theo mẻ được phát triển ở Mỹ cuối năm 1960 và được sử dụng rộng rãi vào những thập niên 80 SBR hoạt động chủ yếu qua 5 giai đoạn: nạp đầy, phản ứng, lắng, làm cạn và ngưng Tất cả đều thực hiện trong cùng một bể phản ứng SBR thường thiết kế ở dạng bể đôi, mỗi bể đều phải có bơm bùn và bơm nước Điều này làm tăng chi phí vận hành hệ thống Đó chính là một trong những khuyết điểm của phương pháp SBR

2.2.4.4 Phương pháp tạo biogas

+ Trên thế giới ở các nước phát triển, nguồn năng lượng và phân bón dồi dào nên việc sử dụng hầm ủ khí sinh vật chỉ phục vụ mục đích giảm ONMT Thường hầm ủ ở các nước này là dạng hầm xây, dung tích từ 1 triệu đến 2 triệu m3 hàng ngày chúng tiêu thụ hàng chục tấn phân và rác thải các loại từ các thành phố thải ra Tiêu biểu là tại Florida ( Mỹ ), Thuỵ Điển, Canada, Hà Lan… Ngược lại các nước kém và đang phát triển, chăn nuôi phần lớn là mang tính cá thể nên

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

việc sử dụng hầm ủ khí sinh vật theo kiểu công nghiệp này kém phổ biến Thường chỉ xây những hầm ủ tương tự nhưng có dung tích nhỏ chỉ vài chục đến vài trăm m3 Theo thống kê chưa đầy đủ số lượng hầm ủ ở các nước như sau:

Trung Quố 7 triệu cái Ấn Độ 800 ngàn cái…( Nguyễn Trung Việt 1989 )

+ Ở việt nam khí sinh vật được đề cập từ đầu thập niên 70 nhưng mãi tới cuối thập niên 70 mới phát triển mạnh Do tình hình thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng và hưởng ứng chương trình năng lượng mới 52C của nhà nước Trong đó có chương trình phát triển khí sinh vật nên việc sử dụng hầm ủ khí sinh vật phát triển mạnh Tuy vậy, nó mới chỉ tập chung và phát triển ở các tỉnh phía nam (Thành Phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Cần Thơ…), gần đây mô hình này phát triển mạnh và phổ biến dần ra các tỉnh miền trung và miền bắc Dung tích của các hầm ủ đạt từ 2 đến 250m3, hàng năm tiêu thụ hàng chục ngàn tấn phân và chất hữu cơ các loại, thu được hàng trăm ngàn m3 khí sinh vật, hàng chục ngàn tấn phân bón có hàm lượng dinh dưỡng cao phục vụ cho trồng trọt và cải tạo đất

2.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC NGƯỢC BÙN SINH

HỌC USBF

Quá trình bùn hoạt tính lần đầu tiên được phát triển bởi Fowler và đồng nghiệp ở Manchester (Anh) từ đầu những năm 1900 Sau đó, một vài hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính đã đươcï xây dựng ở Mỹ vào những năm 1920 Tuy nhiên, mãi đến những năm 1940, công nghệ này mới thực sự

được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, (WPCF, 1994) Kể từ đó, công nghệ này

không ngừng phát triển theo hướng tăng cường hiệu quả xử lý, thiết kế vận hành đơn giản, chi phí thấp … Công nghệ xử lý bằng mô hình USBF cũng ra đời trong dòng phát triển đó

2.3.1 Sơ lược về mô hình

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Mô hình hoạt động dựa trên động lực học phát triển của Lawrence và

MeCarty, ứng dụng nhiều khái niệm liên quan như “Vùng chọn lọc thiếu khí”,

“Lọc ngược qua lớp bùn” Những khái niệm kết hợp chặt chẽ vào quá trình

USBF được phát triển cả ở châu Âu và châu Mỹ vào những năm 1970 Sau đó 25

năm, những cải tạo mới dựa trên sự ra đời của mô hình này được ứng dụng rộng

rãi trên thế giới

2.3.2 Các quá trình xảy ra trong mô hình

Gồm: quá trình loại bỏ carbon, loại bỏ dinh dưỡng N, P quá trình lắng và lọc

ngược (Bảng 2.7.) Tóm tắt các quá trình chính xảy ra trong từng ngăn của mô

hình

Bảng 2.7: Tóm tắt các quá trình chính xảy ra trong mô hình

Ngăn thiếu khí

(Anoxic)

- Loại bỏ carbon (Carbonaceous Removal)

- Khử nitrate (Denitrification)

- Loại bỏ photpho (Phosphorous Removal)

Ngăn hiếu khí - Loại bỏ carbon - Nitrate hóa (Nitrification)

Các chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi chiếm tỷ lệ khá cao và ở rất

nhiều dạng khác nhau như các hydocarbon, đường, các polysacharide (tinh bột,

glucose, cenllulose…) có trong phân và thức ăn dư thừa Phần lớn chúng là các

hợp chất dễ phân hủy sinh học Các VSV (chủ yếu là vi khuẩn) sử dụng các chất

này như nguồn carbon từ nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

các hoạt động sinh trưởng và phát triển, sản sinh tế bào mới… Nguyên tắc chung của quá trình khử carbon dưới tác động của VSV có thể tóm tắt như sau:

Khác với các mô hình truyền thống, trong mô hình USBF, quá trình khử carbon diễn ra trong cả trong 3 ngăn với những điểm đặc trưng riêng biệt Cụ thể là :

Trong ngăn thiếu khí :

Carbon đóng vai trò rất quan trọng vì tác động tích cực tới sự phát triển VSV tạo những bông bùn, kìm hãm hoặc loại bỏ sự phát triển của các VSV hình sợi gây vón bùn, nâng cao khả năng lắng và hoạt tính của bùn, ảnh hưởng tới tốc độ quá trình khử nitrat và khử photpho

Ngăn thiếu khí đóng vai trò là “ngăn chọn lọc thiếu khí“ sử dụng COD dễ dàng phân hủy sinh học RBCOD (Readily Bioldegradeable COD) có trong dòng nước thải đầu vào sẽ bị phân hủy vì chúng được sử dụng như nguồn carbon nội tại cho các quá trình khác (khử nitrat và khử photpho) Nhờ tỷ lệ F/M trong ngăn này khá

cao nên tốc độ sử dụng cơ chất ở đây là rất lớn

RBCOD bị phân hủy hoàn toàn trong ngăn thiếu khí nên phần COD còn lại vào ngăn thiếu khí ở dạng SBCOD (Slowly Bioldegradeable COD), khó hoặc không có khả năng phân hủy sinh học Do F/M trong ngăn thiếu khí luôn rất thấp (bùn luôn giữ trong trạng thái đói) và do VSV sống trong những điều kiện môi trường thiếu khí và hiếu khí luân phiên nên bắt buộc chúng phải tích trữ năng lượng nhiều hơn Kết quả chúng sử dụng cơ chất nhiều hơn, cơ chất này ở dạng

Hợp chất hữu

cơ phức tạp

Hợp chất hữu cơ đơn

giản + năng lượng + sản phẩm phụ

Năng lượng + Sinh khối + Sản phẩm phụ (vô cơ và hữu cơ)

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

SBCOD hay thậm chí không có khả năng phân hủy sinh học Nhờ đó, hiệu suất của quá trình sẽ được tăng cường Các vi khuẩn tham gia quá trình khử carbon

trong ngăn này là Bacillus cereus, B megaterium, B.circulans, B.subtilis,

Pseudomonas aeruginosa, Ps.reptilorova, các giống Micrococcus, các giống Clostridium, các VSV tham gia quá trình khử nitrat và khử photpho…

Trong ngăn hiếu khí

Với sự có mặt của oxy hòa tan, các chất hữu cơ có trong dòng nước thải từ ngăn thiếu khí qua sẽ bị oxy hóa thành các chất hữu cơ dễ phân hủy hơn hay oxy hóa triệt để thành CO2 và H2O nhằm cung cấp năng lượng cho hoạt động sống, phát triển và sinh sản Có thể tóm tắt qua 2 phản ứng sau:

Phản ứng oxy hóa vật chất hữu cơ

CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + Năng lượng Phản ứng tổng hợp vật liệu tế bào

C6H6O3 + NH3 + O2 → C5H7NO2 (Tế bào mới) + CO2 + H2O

Các vi khuẩn tham gia chủ yếu như Pseudomonas, Bacillus, Alcaligene, flavobacterium, Cytophaga,

Lactobacillus, Aromobacter…

(Nicholas P Cheremisinoff, 1996)

Trong ngăn USBF :

Dòng hỗn hợp nước thải và bùn từ ngăn hiếu khí vào ngăn USBF chứa các sinh khối VSV đã qua các quá trình xử lý (cả VSV chết và còn sống) Một phần dòng hỗn hợp này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí để cung cấp nguồn NO3-, từ các VSV và nguồn carbon từ sinh khối chết Phần hỗn hợp còn lại nếu không tách bùn ra khỏi dòng nước thải đầu ra thì bản thân sinh khối VSV cũng gây ra lượng COD Do đó, trong ngăn USBF lượng SS (sinh khối) có tác dụng như một màng lọc Ngoài ra, các VSV bám trong lớp bùn ngăn USBF vẫn có khả năng xử lý phần COD có trong hỗn hợp (phần này rất nhỏ vì trong một hệ thống xử lý

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

không phải tất cả các VSV có tuổi đời như nhau hay nói cách khác chúng không cùng giai đoạn phát triển)

2.3.2.2 Quá trình nitrat hoá

N và P là những nguyên tố chính cho sự phát triển của VSV trong hệ thống xử lý nước thải Do đó, nhờ quá trình xử lý sinh học, quá trình loại bỏ chúng diễn

ra ở các mức độ khác nhau Bình thường sinh khối tế bào chiếm khoảng 12% là

N và 2% là P Khi hệ thống xử lý được thiết kế để loại bỏ N và P vượt qua mức này thì được gọi là quá trình loại bỏ dinh dưỡng bằng phương pháp sinh học,

(Sam Jeyanayagam, 2005) Quá trình nitrat là quá trình chuyển hóa ammonium

sang nitrit, cuối cùng chuyển nitrit thành nitrat nhờ các VSV tự dưỡng Quá trình này diễn ra trong ngăn hiếu khí Vi khuẩn oxy hoá các hợp chất hữu cơ ( trước hết là Ammonia NH+

4) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng

Hình 2.1: Quá trình loại bỏ N bằng phương pháp sinh học

Quá trình diễn ra qua 2 giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hoá và giai đoạn

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

+ Giai đoạn nitrit hoá :

NH4 sẽ được oxy hoá thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrit hoá theo phương trình phản ứng sau:

NH4 + 1,5 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O + (240-350 kJ)

Vi khuẩn nitrit hoá ở đây là Nitrosomonas và Nitrsospira Nitrosomonas có hình

bầu dục ngắn hoặc hình cầu, thuộc chủng gram (-), không sinh bào tử và chuyển động được nhờ có tiêm mao

+ Giai đoạn nitrat hoá :

NO2- chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hoá theo phương trình phản ứng sau:

NO2- + 0,5 O2 → NO3- + (65-90 kJ)

Vi khuẩn nitrat hoá ở đây là Nitrobacteria Chúng thuộc chủng gram (-), không

tạo bào tử và có khả năng sử dụng CO2 làm nguồn carbon mà không cần các chất hữu cơ trong quá trình sống Tổng hợp hai phương trình phản ứng trên ta được:

NH4 + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O + (305- 440 kJ) Trong quá trình nitrat hóa, khoảng 20 – 40% NH4 bị đồng hoá thành vỏ tế bào Phản ứng đồng hoá có thể viết như sau:

4CO2 + HCO3- + NH4 + H2O→ C5H7O2N (tế bào mới) + 5O2

Ngày nay, người ta xác định được nhiều loại vi khuẩn có khả năng tham gia vào quá trình nitrat hóa nên dùng thuật ngữ Vi khuẩn oxi hóa ammonia AOB (Ammonia Oxidizing bacteria) sẽ tổng quát và chính xác hơn Các AOB có những đặc trưng sau:

- Tốc độ phát triển cực đại nhỏ hơn vi khuẩn dị dưỡng nên hệ thống vận hành, thời gian lưu bùn (tuổi bùn) lớn thì chúng sẽ không bị thất thoát khỏi hệ thống

- Tổng sinh khối/N bị oxi hóa rất nhỏ, chúng chỉ chiếm khoảng 2% sinh khối của VSV nên các AOB đóng góp rất nhỏ vào MLSS ngay cả khi chúng đóng góp

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

đáng kể vào quá trình, chúng rất nhạy cảm với điều kiện môi trường Để duy trì và vận hành tốt quá trình này, các điều kiện sau cần đảm bảo :

- DO: nhu cầu oxy 4,6 mg/mg NH4 -N bị oxy hóa nên DO phải lớn hơn 2mg/L Nếu DO nhỏ hơn 2mg/L thì quá trình nitrat hóa sẽ bị ức chế

- pH: tối ưu nằm trong khoảng (6,8-7,4), (Sam Jeyanayagam, 2005).

- Nhiệt độ: tốc độ nitrat hóa tăng trong khoảng (30-350C), tốc độ này giảm đi 30% khi nhiệt độ thay đổi từ 20-100C

(Sam Jeyanayagam,2005;MogensHenze et al1996, p75-85)

Quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat là nhờ các VSV (chủ yếu là vi khuẩn) tạo ra sản phẩm cuối cùng là N2 (ở dạng khí) có thể thoát ra Đây là quá trình dị dưỡng dưới sự hiện

diện của các vi khuẩn tùy nghi Vi khuẩn tham gia gồm: Pseudomonas,

Alcaligenes, Nitrococcus denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Chromobacterium denitrificans, Bacterium pyocyanneum… Trong đó, thông dụng

nhất là các loài Bacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Pseudomonas

stutzeri và Achromobacter sp (Mitchell, 1974)

Quá trình khử nitrat được thể hiện như sau:

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

(Dr Ajit P Annachhatre, 2004; Mogens Henze et al, 1996, p86-95)

Có thể tóm tắt qua phản ứng đơn giản sau:

NO3- + RBCOD → N2 + CO2 + H2O + OH- + Tế bào mới

Quá trình xảy ra phải có 2 điều kiện: Không có mặt DO phải có carbon ở dạng RBCOD Nguồn carbon cung cấp cho quá trình từ ngoài vào (thông thường là methanol CH3OH) hay sử dụng trực tiếp nguồn carbon nội tại trong nước thải Quá trình phục hồi độ kiềm tương đương 3,57 mg CaCO3, năng suất thu nhận oxy là 2,9 mg Oxy/mg NO3- bị khử, năng suất tối đa có thể đạt được là 0,47 kg sinh

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

khối/kg chất hữu cơ (gần bằng năng suất dị dưỡng hiếu khí là 0,5 kg sinh khối/kg chất hữu cơ)

2.3.2.3 Quá trình khử photpho

Các VSV tham gia vào quá trình khử phospho là các vi khuẩn Bacillu (như

Bacillus mycoides, Bacillus megatherium var photphotium, Bacillus asterosporus, Bacillus buytrieus…), các vi khuẩn Pseudomonas và một số loài nấm hình sợi như Aspergilus niger…(Lương Đức Phẩm, 2002)

Các VSV này được gọi chung là PAO (Phosphorus Accumulating Arganisms) và

là những VSV dị dưỡng Acinetobacter là PAO phổ biến nhất P có trong sinh

khối có thể rất cao ở mức 10% khối lượng, thông thường từ 3-5% Vì vậy, lượng PAO trong MLSS càng nhiều thì hiệu suất loại bỏ P càng cao Cơ chế quá trình

loại bỏ có thể được tóm tắt như sau:

+ Trong ngăn thiếu khí: các sản phẩm của quá trình lên men RBCOD được các PAO sử dụng và tích trữ dưới dạng phôtpho liên kết trong tế bào, ví dụ tích trữ dưới dạng PHB (polly-b-hydroxy butyrate) Năng lượng cung cấp cho quá trình này nhờ sự phân giải các sản phẩm tích lũy giàu năng lượng (các polyphosphat) có trong tế bào Sự phân giải nhằm mục đích giải phóng P

+ Trong ngăn hiếu khí: Các PAO sử dụng PHB đã tích trữ như nguồn C và năng lượng, đồng thời chúng thu toàn bộ P thoát ra từ ngăn thiếu khí chảy qua để làm mới lại nguồn polyphosphate có trong tế bào Năng lượng giải phóng ra trong giai đoạn này lớn hơn rất nhiều so với năng lượng sử dụng để tích trữ PHB trong ngăn thiếu khí Do đó, lượng P hấp thụ sẽ lớn hơn rất nhiều lượng P thoát ra Trong ngăn này, các PAO thực hiện quá trình sinh sản để gia tăng số lượng

+ Trong ngăn USBF: P đã được PAO hấp thụ và tích trữ vào cơ thể của chúng

Do đó, trong ngăn USBF, bùn lắng rất giàu P bị loại bỏ nhờ dòng bùn thải Ngoài ra, nhờ dòng bùn tuần hoàn mang theo lượng BOD và các PAO quay trở

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

lại để thực hiện tiếp quá trình loại bỏ P ở lần sau Như vậy, trong quá trình khử

P, nguồn carbon hữu cơ (COD) rất quan trọng, nhất là trong ngăn thiếu khí

(Trịnh Xuân Lai, 200, 86-89; Dr Lawrence K Wang, 1995; Metcalf & Eddy,

2003; Dr Ajit P Annachhatre, 2004; Sam Jeyanayagam, 2005;)

2.3.2.4 Quá trình ổn định bùn, lắng và lọc

Ngăn USBF có dạng hình nón rất thuận lợi cho việc thu hồi bùn lắng Từ trên xuống, ngăn USBF có thể chia làm 3 vùng: vùng nước trong, vùng bùn lơ lửng và vùng bùn nén Nước trong ở phía trên được thải ra ngoài, vùng bùn lơ lửng chưa lắng có vai trò như một màng lọc, đáy là vùng bùn lắng dày Lớp bùn này rất đậm đặc và được lấy ra theo một lưu lượng ổn định trong đó một phần được tuần hoàn trở lại, một phần được thải ra ngoài

Quá trình lọc và lắng trong ngăn USBF có thể được phân tích sau:

Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới và di chuyển lên trên, có vận tốc giảm dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dẫn và lơ lửng

Tuần hoàn

• Tích trữ PHB

• Giải phóng P

Hiếu khí Thiếu khí

• Oxy hóa PHB

• Hấp thụ P

• Tổng hợp tế bào mới

Thải bùn giàu P

Ngăn USBF

Hình 2.2: Quá trình loại bỏ P trong mô hình USBF

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

- Hình dạng của ngăn USBF (diện tích cắt ngang sẽ tăng dần từ phía dưới lên trên) nên vận tốc từ dưới đáy lên trên cũng giảm dần

- Các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc Khi các bông bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy

- Sự tuần hoàn bùn ở đáy ngăn USBF rất cao (từ 3-4 lần lưu lượng dòng vào) Điều này sẽ tạo ra một vận tốc hướng xuống làm tăng cường hiệu quả lọc so với bể lọc truyền thống

Ưu điểm của mô hình USBF :

Đồng thời kết hộp cả ba quá trình quá trình hiếu khí, thiếu khí và lắng lọc… Mục đích là khử carbon, quá trình nitrat hoá, khử nitrat, khử phospho, hệ thống USBF có nhiều ưu điểm hơn hẳn như :

+ Diện tích cần để xây dựng hệ thống nhỏ hơn rất nhiều vì các quá trình được kết hợp vào một bể phản ứng, không cần lắng sơ cấp hay thứ cấp…

+ Hiệu suất cao vì các quá trình khử carbon, quá trình nirat hoá, khử nitrat, khử phospho và nhất là quá trình lắng diễn ra rất triệt để

+ Hệ thống không tạo ra mùi hôi thối

+ Dễ thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống

+ Chi phí thấp không nhiều thiết bị, năng lượng để vận hành và duy trì hệ thống thấp, không tốn hoá chất để bổ sung cho hệ thống

+ Các thiết bị có thể tháo lắp được thuận lợi, bảo trì, sửa chữa dễ dàng

+ Thích hợp để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau, tuỳ theo quy mô lớn nhỏ

Chương 3

VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

3.1 MÔ HÌNH NHIÊN CỨU

3.1.1 Thiết kế và lắp đặt

Mô hình thiết kế lắp đặt tại Phòng thí nghiệm phân tích môi trường, trường ĐH KHTN, dựa trên mô hình động học xử lý chất hữu cơ của Lawrence và Mecarty

do TS Trương Thanh Cảnh cùng các sinh viên nghiên cứu và thực hiện.Vật liệu được làm bằng kính trong suốt, Ưu điểm dễ thiết kế, dễ quan sát chế độ thủy động bên trong

Đơn vị đo là cm

(A) : Mương thu nước đầu vào (C) :Ngăn hiếu khí

(B) : Ngăn thiếu khí (D) : Ngăn USBF

(E) : Các thanh sục khí (G) : Ống thu bùn

(F) : Mương chảy tràn và thu nước đầu ra

III :Điểm lấy mẫu đầu ra của bể phản ứng

IV :Vị trí bắt van điều chỉnh phục vụ tuần hoàn và thải bùn

Hình 3.1: Kích thước và hình dạng các module của mô hình thí nghiệm

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Bảng 3.1: Kích thước các yếu tố cơ bản của hệ thống

Yếu tố Kích thước Đơn vị

Chú thích: Thể tích các bể là thể tích chứa nước

Trên cơ sở lý thuyết về thời gian lưu nước đã được tính toán (thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí là từ 6-30 h, ngăn thiếu khí từ 1-2 h cho quá trình khử carbon và 2-8 cho quá trình khử P), chọn tỷ lệ thời gian lưu nước giữa các ngăn là 1:3:1 Từ đó, suy ra tỷ lệ thể tích của ngăn thiếu khí: hiếu khí: ngăn USBF tương đương là 1:3:1

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Mô hình thiết kế nhằm kết hợp chặt chẽ giữa các quá trình như khử carbon, nitrat hoá, khử nitrat, khử phospho, ổn định bùn lọc để loại bỏ carbon hữu cơ, loại bỏ dinh dưỡng N, P và SS, Quá trình loại bỏ carbon sẽ được thực hiện trong cả 3 ngăn của hệ thống Khử nitrat thực hiện trong ngăn thiếu khí, quá trình nitrat hoá diễn ra chủ yếu ở ngăn hiếu khí, ổn định bùn và lọc diễn ra trong ngăn USBF

Nước thải lấy về được chứa trong các can (20-30 lít), đã được loại bỏ rác, cặn và các vật rắn thô gây cản trở quá trình xử lý Dựa vào thể tích của các ngăn để xác định khoảng thời gian lưu nước thích hợp Nước thải được bơm vào máng và được pha trộn với dòng tuần hoàn bùn, sau đó chảy ngay vào ngăn thiếu khí Trong ngăn thiếu khí, hỗn hợp nước thải và bùn sẽ được khuấy trộn nhờ máy khuấy và được di chuyển theo chế độ thủy động của hệ thống Quá trình loại bỏ RBCOD trong ngăn thiếu khí cùng với quá trình khử nitrat diễn ra Ngăn này được xem là “ngăn thiếu khí chọn lọc“ Sau một khoảng thời gian lưu nước nhất định, hỗn hợp nước thải từ ngăn thiếu khí sẽ chảy qua ngăn hiếu khí qua khe hở phía dưới ngăn USBF Tại đây, được cung cấp oxy cho quá trình xử lý hiếu khí và nitrat hoá Đồng thời nhờ sự sục khí, bùn hoạt tính sẽ được hoà lẫn với nước thải đã qua xử lý ở ngăn thiếu khí Nhờ vậy quá trình xử lý sẽ hoàn thiện hơn Sau khoảng thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí, nước chuyển qua ngăn USBF Do khe hở được thiết kế thấp, ở đáy có dòng tuần hoàn bùn Hỗn hợp nước thải và bùn sẽ chuyển động lên phía trên nhờ tác động của dòng thải Ở gần đáy, ngăn USBF có một lớp bùn được giữ lại và có mật độ giảm dần từ dưới lên trên, phía trên (do trọng lực nên các bông bùn sẽ lắng xuống) Lớp bùn này có tác dụng cản trở sự di chuyển hướng lên của dòng hỗn hợp nước thải và bùn, ổn định lớp bùn và thực hiên quá trình lắng - lọc ngược từ dưới lên Bùn sẽ được

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

thu hồi qua dòng tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí một phần, một phần khác sẽ được bỏ đi

Phía trên ngăn USBF, nước thải đã qua xử lý sẽ tràn vào máng thu nước và thải

ra nguồn tiếp nhận

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của mô hình

3.1.3 Phương pháp vận hành mô hình

- Kiểm tra toàn bộ mô hình thí nghiệm

- Kiểm tra lưu lượng của các bơm và máy nén khí, sự phân phối khí

- Từ các chỉ tiêu cần xác định tiến hành lập các thông số nền để kiểm soát sự hoạt động của mô hình, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hoạt động của bùn hoạt tính Các thông số bao gồm: pH, nhiệt độ, DO, tỷ lệ BOD, N, P, F/M

- Các thông số nghiên cứu: là các thông số sẽ được thay đổi theo mục đích nghiên cứu, bao gồm các thống số như lưu lượng, COD, BOD, HRT, SRT,

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

L…Quá trình vận hành mô hình gồm 2 giai đoạn: giai đoạn thích nghi và giai đoạn chính thức

3.1.3.1 Giai đoạn chạy thích nghi

Xác định sự thích nghi của bùn dựa vào cảm quan và được xác định bởi nồng độ bùn X0 và SVI

Tải trọng L cần duy trì ở mức thấp, từ 0,5-2 kg COD/m3/ngày Nồng độ bùn cần duy trì là 2000- 3000 mg/L Để có được nồng độ bùn này, ta tiến hành xác định thể tích bùn cần thiết khi cho vào bể phản ứng nhờ công thức V0 = X*V/X0

Trong đó:

X0 : nồng độ bùn ban đầu

V0 : thể tích bùn ban đầu cần

X : nồng độ cần duy trì trong bể aerotank

V : thể tích bể phản ứng

Khi mô hình đã hoạt động, nếu lượng bùn nhỏ hơn mức trên thì bùn hoạt tính phải được thêm vào Lượng bùn thêm vào cũng dựa trên công thức Vb = V*(X’- X)/Xb với (Vb: thể tích bùn cần thêm, Xb: nồng độ bùn, X’:nồng độ bùn cần đạt, X: là nồng độ bùn hiện thời trong bể) Tiến hành kiểm tra các thông số nền (dựa theo Bảng 3.2)

Bảng 3.2: Các thông số nền

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc ngược bùn sinh học USBF

Giai đoạn này kết thúc khi nước đầu ra trong, quá trình lắng tốt, màu của bùn chuyển sang màu nâu xám sáng đặc trưng giống màu cà phê sữa SVI đạt được mức 80-120 mL/g (Thời gian của giai đoạn này ước tính khoảng 2-4 ngày)

3.1.3.2 Giai đoạn chạy chính thức

Sau khi bùn hoạt tính đã thích nghi, mô hình bắt đầu được vận hành chính thức Trong giai đoạn này, các thông số nền phải được duy trì ổn định và tiến hành thay đổi từng thông số cần nghiên cứu

Khảo sát hiệu quả xử lý theo nồng độ bùn X

X biểu thị cho nồng độ VSV Do đó, X càng cao thì số lượng VSV tham gia xử lý càng cao và hiệu suất xử lý càng cao Tuy nhiên, nồng độ bùn quá cao sẽ gây khó khăn cho bể lắng và quá trình vận hành hệ thống nên mỗi hệ thống xử lý chỉ có thể duy trì một nồng độ bùn nhất định

Đặc điểm của mô hình là có thể duy trì X rất cao Do đó, việc xác định X tối đa và khảo sát khoảng tối ưu là rất cần thiết Kiểm soát hệ thống hoạt động dưới tải trọng thấp (0,5-2 kg COD/m3/ngày), COD dao động ở khoảng 250 - 750 mg/l; HRT khoảng 10-15 h; SRT trong khoảng 5-7 ngày Sau đó, tăng dần nồng độ bùn lên từ 2000-3000 mg/L đến khi hiệu quả xử lý giảm thì dừng Theo dõi hiệu suất xử lý trong quá trình này (có thể tăng trong khoảng 4000 – 7000 mg/L) Từ kết quả thu được, chọn khoảng nồng độ bùn thích hợp để duy trì cho giai đoạn sau

Khảo sát hiệu quả xử lý theo nồng độ COD :

Mỗi loại nước thải có một tỷ lệ giữa các thông số ô nhiễm nhất định Các thông số này vừa biểu thị mức độ ô nhiễm vừa biểu thị mức độ dinh dưỡng cho VSV vì chúng sử dụng các chất ô nhiễm là nguồn thức ăn và năng lượng Nếu nồng độ các chất ô nhiễm quá cao dẫn tới tải trọng cao mà (tải trọng tỷ lệ thuận với nồng độ chất ô nhiễm và tỷ lệ nghịch với HRT) vì vậy, hiệu suất xử lý (H) sẽ giảm vì