GIỚI THIỆU
CƠ SỞ HÌNH THÀNH NGHIÊN CỨU
Tại các quốc gia phát triển, nước thải sinh hoạt và sản xuất đều được kết nối với hệ thống xử lý môi trường trước khi thải ra tự nhiên Tuy nhiên, ở Việt Nam, mặc dù có một số khu vực xử lý nước thải, nhưng chất lượng và quy mô vẫn còn hạn chế, khiến phần lớn nước thải sinh hoạt chảy thẳng vào sông ngòi và kênh rạch Nước thải từ các ngành sản xuất nhỏ lẻ cũng được xử lý nhưng thiếu kiểm soát chặt chẽ Nếu không có biện pháp quản lý phù hợp, tình trạng này sẽ dẫn đến ô nhiễm nguồn nước tự nhiên, phá vỡ hệ sinh thái thủy vực, ảnh hưởng đến văn minh đô thị và sức khỏe cộng đồng Ngoài ra, ô nhiễm từ hoạt động chăn nuôi cũng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng trong xã hội hiện nay.
Trong thời gian gần đây, ngành chăn nuôi heo tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, nhưng phần lớn vẫn là các hộ nhỏ lẻ chưa đáp ứng đủ tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về chuồng trại Việc quản lý chất thải trong chăn nuôi heo còn yếu kém đã dẫn đến ô nhiễm môi trường, gây ra nhiều bệnh tật ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của vật nuôi, làm giảm hiệu quả chăn nuôi và tác động xấu đến môi sinh cũng như sức khỏe cộng đồng.
Cổ phần Dịch vụ Công nghệ Môi trường E&C Việt Nam, 2020)
Nước thải từ chăn nuôi heo chứa nhiều chất hữu cơ, vi sinh vật và giun sán gây bệnh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống con người qua ô nhiễm đất, nước và không khí Sự ô nhiễm này không chỉ tác động đến chất lượng nông sản mà còn làm gia tăng nguy cơ mắc các bệnh về đường hô hấp và tiêu hóa Đặc biệt, virus biến thể từ dịch lở mồm long móng và dịch heo tai xanh có khả năng lây lan nhanh chóng, đe dọa tính mạng con người.
Theo thông tin từ Bộ NN&PTNT, cả nước hiện có khoảng 29 triệu con heo, dẫn đến việc thải ra môi trường hơn 80 triệu tấn chất thải chăn nuôi mỗi năm Trong số này, chỉ khoảng 20% được sử dụng hiệu quả thông qua các phương pháp như ủ biogas, ủ phân, nuôi trùn và cho cá ăn, trong khi 80% còn lại chủ yếu bị thải ra mà không qua xử lý.
Việc xả thải chất thải chăn nuôi heo gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, do đó, cần áp dụng các biện pháp xử lý hiệu quả Hiện nay, nhiều trang trại chăn nuôi heo ở Việt Nam đã sử dụng công nghệ khí sinh học (biogas) để xử lý chất thải Quá trình này bao gồm việc đưa chất thải vào hầm biogas, sau đó nước thải được xử lý qua các hồ lắng và hồ sinh học để làm sạch trước khi xả ra nguồn nước mặt (Nguyễn Thế Hinh, 2018).
Nước thải từ chăn nuôi heo được cho là rất ô nhiễm do chứa nồng độ cao các chất hữu cơ Mức độ ô nhiễm này có thể thay đổi tùy thuộc vào công nghệ chăn nuôi, loại thức ăn và quy hoạch hệ thống chuồng trại (Công ty cổ phần Việt Water, 2017).
Nước thải từ trang trại nuôi heo chứa nhiều thành phần ô nhiễm, bao gồm hàm lượng cao nitơ và photpho, cùng với virus, vi khuẩn và giun sán gây bệnh Sự ô nhiễm này tiềm ẩn nguy cơ lớn cho sinh thái tự nhiên (Công Ty TNHH TM-DV & Môi trường Kim Hoàng Hiệp, 2019).
Công ty TNHH MTV Môi trường Lighthouse cho biết rằng chất thải từ chuồng trại nuôi heo chủ yếu bao gồm phân, nước tiểu, thức ăn rơi vãi và nước tắm vệ sinh cho heo Nước thải này chứa nhiều chất hữu cơ như protit, axit amin, chất béo và hydrat cacbon, chiếm khoảng 70-80% tổng lượng chất thải, cùng với nhiều sinh vật gây bệnh Với thành phần dinh dưỡng hữu cơ cao và dễ phân hủy sinh học, việc áp dụng giải pháp xử lý bằng sinh học là rất phù hợp.
Công ty TNHH Công nghệ Môi trường Hòa Bình Xanh nhấn mạnh rằng nước thải từ chăn nuôi heo gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng do chứa vi khuẩn, virus và giun sán.
Công ty TNHH Đất Hợp xác định rằng nước thải từ quy trình chăn nuôi heo có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nước thải này chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng hữu cơ, chất rắn lơ lửng và các sinh vật gây bệnh, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng môi trường (Công ty TNHH Đất Hợp, 2019).
Nước thải chăn nuôi heo từ các tổ chức được khảo sát có hàm lượng BOD, COD, TSS, P-tổng, N-tổng và tổng coliforms rất cao, vượt quá mức cho phép Ngay cả sau khi xử lý bằng hầm ủ biogas, nước thải vẫn không đạt tiêu chuẩn theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT Do đó, cần thiết phải áp dụng các phương pháp khắc phục hiệu quả trước khi xả thải.
Nghiên cứu cho thấy bể lọc sinh học nhỏ giọt và bãi lọc thực vật là những giải pháp hiệu quả và tiết kiệm cho việc xử lý nước thải chăn nuôi heo, đặc biệt ở vùng nông thôn Tuy nhiên, hiện chưa có phương án tối ưu nào cho việc xử lý nước thải sau biogas phù hợp với các hộ chăn nuôi nhỏ lẻ, nhất là trong bối cảnh kinh tế khó khăn Đáng chú ý, chưa có nghiên cứu nào tập trung vào việc sử dụng cây Chùm ngây trong xử lý nước thải, mặc dù cây này và cây Chuối Mỏ két có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm Do đó, việc kết hợp mô hình bể lọc sinh học nhỏ giọt với bãi lọc thực vật có thể mang lại công nghệ mới, hiệu quả và dễ áp dụng, đáp ứng nhu cầu của các hộ chăn nuôi heo ở nông thôn Việt Nam.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Dựa trên kết quả khảo sát, bài viết sẽ đưa ra những kết luận đánh giá hiệu suất hoạt động lọc nước của mô hình, tập trung vào các thông số như amoni, độ đục, tổng rắn lơ lửng TSS và nhu cầu oxy sinh hóa BOD Các kết quả này sẽ được so sánh với tiêu chuẩn quy định tại QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
CÂU HỎI NGHIÊN CỨU
- Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bể lọc sinh học nhỏ giọt là một bể phản ứng sinh học hoạt động dựa trên quần thể vi sinh vật sống dính bám trên giá thể cố định, với điều kiện môi trường thuận lợi như thức ăn, độ ẩm, oxy và pH Việc ứng dụng bể lọc này để giảm ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas cần khảo sát các yếu tố như cấu tạo bể, các điều kiện hoạt động của vi sinh vật, và hiệu quả xử lý ô nhiễm.
Bể lọc thực vật được cấu tạo từ các lớp vật liệu tự nhiên, giúp tạo môi trường thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng Các loại cây thường được trồng trong bể này bao gồm các loài có khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và xử lý chất thải hiệu quả Việc đánh giá khả năng xử lý chất thải từ bể lọc sinh học là rất quan trọng, nhằm đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả Một số thông số dự kiến được khảo sát trong thời gian có giới hạn bao gồm nồng độ chất ô nhiễm, hiệu suất xử lý và sự phát triển của cây trồng.
Kết hợp bể lọc sinh học nhỏ giọt với bãi lọc thực vật có thể giúp xử lý nước thải hiệu quả, đảm bảo đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN62-MT: 2016/BTNMT Phương pháp này không chỉ nâng cao khả năng xử lý chất ô nhiễm mà còn tối ưu hóa quy trình quản lý nước thải, mang lại lợi ích cho môi trường.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nước thải chăn nuôi heo sau biogas được lấy tại cơ sở chăn nuôi heo của hộ gia đình hiện nuôi 100-110 con heo lấy thịt ở thị trấn Phước Vĩnh, huyện Phú Giáo, Tỉnh Bình Dương Nước thải sau khi được xử lý qua hệ thống biogas, mỗi lần lấy đủ cho một lần chạy cho mô hình thí nghiệm là 30 lít đựng trong bình nhựa 30 lít
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài này sử dụng bể lọc sinh học nhỏ giọt có chứa giá thể cố định kết hợp bể lọc thực vật (wetland), trồng cây và theo dõi khả năng xử lý nước thải chăn nuôi heo sau Biogas thông qua các chỉ tiêu được so sánh ở nước đầu vào và đầu ra của các bể lọc như độ đục, amoni, BOD, TSS Đề tài thực hiện trong thời gian 6 tháng, mẫu nước thải được xử lý và phân tích ở phòng Thí nghiệm Hóa-Môi trường thuộc Trường Đại học Mở thành phố Hồ Chí Minh, cơ sở 3 Bình Dương.
Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU
1.5.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài nghiên cứu có tính mới, thân thiện môi trường, có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas
Mô hình kết hợp công nghệ sinh học và bãi lọc thực vật được phát triển nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải từ chăn nuôi heo, đồng thời nâng cao chất lượng nước thải sau biogas, đạt tiêu chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
KẾT CẤU ĐỀ TÀI
Đề tài gồm có 5 chương, tài liệu tham khảo và phụ lục: o Chương I: Giới thiệu
Sự ô nhiễm từ nước thải chăn nuôi heo đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas có thể giảm thiểu tác động tiêu cực này Từ những nghiên cứu đó, chúng ta có thể phát triển các giải pháp hiệu quả hơn trong việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường Chương II sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết và tổng quan tài liệu liên quan đến vấn đề này.
Chương này tổng hợp các công nghệ xử lý nước thải phổ biến hiện nay, dựa trên nghiên cứu và công bố của các tác giả qua tài liệu, bài báo và tạp chí khoa học.
Chương này trình bày các phương pháp khảo sát các thông số như BOD, amoni, độ đục và TSS, cùng với sự phát triển của thực vật trong thí nghiệm Đồng thời, chương cũng đề cập đến các phương pháp xử lý dữ liệu thu được từ nghiên cứu Chương IV sẽ cung cấp kết quả và thảo luận về những phát hiện này.
Chương này trình bày kết quả nghiên cứu, bao gồm việc vẽ biểu đồ và đánh giá các thông số đã khảo sát Chương V sẽ cung cấp kết luận và kiến nghị dựa trên những phát hiện từ nghiên cứu.
Chương này tổng kết và đánh giá những kết quả đạt được từ công nghệ nghiên cứu, đồng thời đưa ra những kiến nghị dựa trên quá trình nghiên cứu Bao gồm tài liệu tham khảo và phụ lục.
CƠ SỞLÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU
NƯỚC THẢI SAU BIOGAS
2.1.1 Thành phần của nước thải chăn nuôi heo
Nước thải chăn nuôi heo phát sinh từ quá trình chăm sóc và nuôi dưỡng heo, bao gồm cả chất thải từ chính con heo trong chuồng trại và nước sinh hoạt của con người tại cơ sở chăn nuôi.
Chất thải từ chăn nuôi, chủ yếu là phân heo và thức ăn thừa, thường không được thu gom hợp lý, dẫn đến việc người dân sử dụng nước để rửa trôi chúng vào hệ thống biogas hoặc các nguồn nước khác như kênh, rạch, cống Quá trình này tiêu tốn nhiều nước và góp phần tạo ra lượng lớn nước thải ra môi trường Nếu chất thải rắn không được xử lý hoặc sử dụng đúng cách, sẽ gây ô nhiễm môi trường và lây lan mầm bệnh.
- Chất thải lỏng : bao gồm nước tiểu của heo, nước tắm heo, nước xịt rửa chuồng trại, nước rửa dụng cụ phục vụ nuôi heo
- Chất thải khí: gồm các loại khí phát sinh ra trong suốt quá trình hoạt động chăn nuôi, chủ yếu là hổn hợp khí CO2 và metan
- Nitơ và photpho (thành phần hóa học):
Chất hữu cơ trong chất thải rắn chiếm khoảng 70-80%, bao gồm các hợp chất như protit, chất béo, axit amin, hydrocacbon và các dẫn xuất Trong khi đó, phần vô cơ chiếm khoảng 20-30% và bao gồm các thành phần như đất, cát và muối clorua (Jongbloes & Lenis, 1995).
Do heo có khả năng hấp thụ dinh dưỡng kém, nước thải từ chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng nitơ (N) và photpho (P) cao Nitơ trong nước thải tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như NH4+, NO2- và NO3-, phụ thuộc vào thời gian và mức độ oxy có mặt Trong quá trình tiêu thụ thức ăn, heo thải ra lượng photpho khoảng 0,25 – 1,4%, với một phần nhỏ được bài tiết qua nước tiểu Photpho chủ yếu tồn tại dưới dạng photphate vô cơ và photphate hữu cơ trong nước thải chăn nuôi heo (Jongbloes & Lenis, 1995).
- Vi sinh vật (thành phần sinh học):
Nước thải chứa một lượng vi khuẩn đáng kể, dao động từ 10^5 đến 10^9 tế bào/mg Các vi khuẩn này chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí hoặc kỵ khí tùy nghi, bao gồm các loại như Bacillus, Micrococcus, Alcaligenes, Pseudomonas, Clostridium, Flavobacterium, Lactobacillus, Streptococcus, Cytophaga, Spirochaeta, Euterobacterium và Achromobacter (Lương Đức Phẩm, 2016).
Nước thải từ hoạt động nuôi heo chứa nhiều virus và vi khuẩn gây bệnh, đồng thời còn có một lượng lớn trứng giun sán Các loại giun sán thường gặp trong nước thải này bao gồm Ascaris suum, Fasciolopsis buski, Cephalogostomum sp, và Fasciola hepatica.
Trichocephalus dentatus và Fasciola có thể phát triển sau vài ngày đến nhiều tháng sau giai đoạn lây nhiễm (Lê Anh Tuấn và cộng sự, 2009) Các loại vi khuẩn gây bệnh như E coli và Salmonella có khả năng nhiễm vào hệ thống nước ngầm, trong khi vi khuẩn Erisipelothris insidiosa có thể tồn tại khoảng 3 tháng.
Brucellacó thể trên 3 tháng, Samonella trên 6 tháng, Leptospiu khoảng 6 tháng
Nước thải từ chăn nuôi có thể gây ô nhiễm nguồn nước và đất, với Salmonella có khả năng thấm sâu từ 30 đến 40 cm vào lớp đất bề mặt Vi khuẩn này, cùng với trứng giun sán, có khả năng lan truyền nhanh chóng và xa, tiềm ẩn nguy cơ gây dịch bệnh cho cả con người và động vật (Mekonnen & Hoekstra, 2012; FAO, 2013).
Dưới đây là các thành phần ô nhiễm có trong nước thải ở một số công ty chăn nuôi
Bảng 2.1: Thành phần các chất có trong nước thải chăn nuôi ở Công ty TNHH công nghệ môi trường Việt ENVI (nguồn: https://trangvangvietnam.com/listings/
1187747763/cong-ty-tnhh-cong-nghe-moi-truong-viet-envi.html)
STT Thông số Đơn vị Giá trị đầu vào
Bảng 2.2 trình bày thành phần các chất có trong nước thải chăn nuôi tại Công ty TNHH Giải pháp Môi trường Hana Nguồn thông tin từ trang web chính thức của công ty, cung cấp cái nhìn tổng quan về các chất ô nhiễm trong nước thải, từ đó giúp nâng cao nhận thức về vấn đề xử lý nước thải trong ngành chăn nuôi.
STT Thông số Đơn vị Giá trị đầu vào
Nước thải chăn nuôi, đặc biệt là từ nuôi heo, chứa hàm lượng dinh dưỡng ô nhiễm cao với nhiều thành phần đa dạng như protein, lipid, acid amin, peptit và acid hữu cơ Ngoài ra, nước thải này còn có chứa nitơ, photpho và thức ăn thừa, chính những yếu tố này góp phần làm ô nhiễm nguồn nước.
2.1.2 Thành phần nước thải chăn nuôi heo sau biogas
Nghiên cứu của Nguyễn Phương Thảo và cộng sự cho thấy nước thải chăn nuôi heo sau biogas vẫn chứa hàm lượng dinh dưỡng cao, bao gồm P-PO4 3-, N-NO3 -, N-NH4 +, cùng với COD dao động từ 464 – 2.552 mg/l Nếu nước thải này được thải trực tiếp vào môi trường, nó có thể gây ra ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng (Nguyễn Phương Thảo và ctv, 2017).
Nghiên cứu về phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt cho thấy nước thải sau biogas vẫn chứa nhiều yếu tố ô nhiễm nghiêm trọng, với các chỉ số COD từ 1251-3396 mg/l, BOD từ 783-1339 mg/l, và tổng nitrogen đạt từ 205-333 mg/l (Nguyễn Hoài Châu và Trần Mạnh Hải, 2010).
Nguyễn Thanh Văn và cộng sự cho rằng công nghệ biogas là giải pháp an toàn trong xử lý chất thải chăn nuôi heo, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn khí đốt sinh học phục vụ đời sống Tuy nhiên, nước thải sau quá trình biogas vẫn chứa hàm lượng COD, đạm và lân cao, vượt quá quy chuẩn cho phép, và nếu xả thải trực tiếp vào ao hồ sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng (Nguyễn Thanh Văn và ctv, 2017).
Nghiên cứu của Lê Hoàng Việt và cộng sự chỉ ra rằng lợi ích của việc xử lý nước thải bằng ủ biogas là rõ ràng Tuy nhiên, nồng độ dinh dưỡng và các chất hữu cơ trong nước thải sau biogas vẫn còn cao Do đó, cần thiết phải áp dụng các biện pháp xử lý tiếp theo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường (Lê Hoàng Việt và ctv, 2017).
Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hồng và Phạm Khắc Liệu tại Thừa Thiên Huế cho thấy hầm biogas có khả năng xử lý hiệu quả các chất hữu cơ, với COD giảm trung bình 84,7%, BOD5 giảm 76,3%, chất rắn lơ lửng giảm 86,1% và vi sinh vật gây bệnh giảm 51,2% Tuy nhiên, đối với các chất dinh dưỡng như N và P, hầm biogas chỉ giảm một phần, với TKN giảm 11,8% và TP giảm 7,0% (Nguyễn Thị Hồng và Phạm Khắc Liệu, 2012).
BỂ LỌC SINH HỌC
Bể lọc sinh học là thiết bị thiết kế để sắp xếp các giá thể lọc, tạo điều kiện cho các phản ứng sinh học diễn ra hiệu quả Tại đây, các chủng vi sinh vật có không gian và thời gian cần thiết để tồn tại, sinh trưởng và phát triển Nước thải được dẫn qua lớp giá thể bằng cách nhỏ giọt, giúp tối ưu hóa quá trình lọc và xử lý nước.
Hiện nay, thiết bị vi sinh hiếu khí dùng để xử lý nước thải được phân chia thành hai loại chính: loại sử dụng vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước và loại sử dụng vật liệu tiếp xúc ngập trong nước (Trịnh Xuân Lai, 2009).
Hình 2.1: Bể lọc sinh học (a), (b) (Trịnh Xuân Lai, 2009)
1 Máng cấp nước thải vào bể
2 Ống nước vào và gom nước rửa bể
4 Máng dẫn nước lọc chảy ra
5 Ống dẫn nước đã lọc ra ngoài
7 Hộp ngăn nước hồi lại máy thổi khí
8 Ống dẫn khí từ máy nén
10 Lưới chắn vật liệu nổi
11 Khoảng trống để lớp vật liệu lọc dãn nở khi rửa
12 Lớp nước ngập khi rửa lọc
(a) Bể lọc sinh học nhỏ giọt dùng vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước
(b) Bể lọc sinh học đặt vật liệu ngập trong nước
• Bể lọc có vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước (hình (a)):
Các lớp vật liệu trong bể lọc được sắp xếp để tối ưu hóa diện tích tiếp xúc trong một thể tích nhất định Hệ thống phân phối nước thải thành nhiều giọt, giúp nước tiếp xúc đều với vật liệu lọc Khi nước rơi, nó phân tán thành các hạt nhỏ, tạo ra một màng mỏng qua các khe vật liệu Màng nhầy gelatin hình thành từ vi sinh vật bám quanh bề mặt vật liệu lọc, và độ dày của nó gia tăng, gây cản trở sự thấm oxy Tại lớp trong của màng nhầy, vi khuẩn yếm khí hoạt động phân hủy, sản sinh ra khí CO2 và metan Khi lớp màng nhầy bong tróc, nước sẽ cuốn trôi chúng đi, trong khi lớp màng nhầy mới tiếp tục hình thành trên bề mặt vật liệu lọc Quá trình này diễn ra tuần hoàn, giúp xử lý các chất ô nhiễm hiệu quả (Trịnh Xuân Lai, 2009).
Trên bề mặt vật rắn tiếp xúc với nước thải, nhiều vi sinh vật tồn tại và phát triển khi có đủ oxy, độ ẩm, và dinh dưỡng từ các chất hữu cơ cùng muối khoáng Những vi sinh vật này tiết ra chất gelatin, giúp chúng bám dính vào bề mặt giá thể lọc và dễ dàng di chuyển trong môi trường này (Trịnh Xuân Lai, 2009).
• Bể lọc có vật liệu đặt ngập trong nước (hình (b)):
Bể lọc hoạt động bằng cách cho nước thải cần xử lý đi qua từ đáy bể, nơi nước và không khí được trộn lẫn qua dàn ống cấp khí từ máy nén khí Nước di chuyển từ dưới lên trên xuyên qua lớp giá thể lọc, trong đó các vi sinh vật chuyển hóa NH4+ thành NO3-.
Các chất lơ lửng trong nước có thể bị giữ lại bởi lớp giá thể lọc, trong khi nước đã được lọc sẽ được thu hồi và chuyển đến nguồn tiếp nhận Để kích thích vi sinh vật hoạt động trong môi trường thiếu khí, cần thiết lập hệ thống cung cấp khí ở giữa lớp giá thể lọc, đảm bảo rằng lớp giá thể nằm dưới dàn cung cấp khí đủ thể tích để tạo ra khu vực thiếu khí nhằm khử NO3- và P Để nâng cao hiệu quả lọc, các bể lọc có thể được kết nối hoạt động nối tiếp với độ chênh ΔH = 0,5 m (Trịnh Xuân Lai, 2009).
Khi xả rửa bể lọc, cần phải khóa van đường vào nước thải và van cấp khí, sau đó đóng và mở van xả rửa nhiều lần để hệ thống xử lý hoạt động hiệu quả trở lại Để đạt hiệu quả cao, nên thực hiện quy trình khí nước cùng chiều và đi từ dưới lên Ngược lại, quy trình gió nước ngược chiều sẽ đạt hiệu quả thấp hơn, khi nước thải đi từ trên xuống và khí đi từ dưới lên (Trịnh Xuân Lai, 2009).
2.2.2 Khả năng xử lý của bể lọc sinh học Đa phần các vi sinh vật có thể tồn tại, sinh trưởng và phát triển trên diện tích bề mặt thể rắn, khi môi trường thuận lợi như có đủ oxy, độ ẩm, dinh dưỡng các chất hữu cơ và muối khoáng (APHA et al, 2005)
Ứng dụng sinh học với sự dính bám của vi sinh vật đang ngày càng phổ biến nhờ vào lợi thế đầu tư hệ thống ban đầu thấp và chi phí vận hành tiết kiệm (APHA et al, 2005).
Quá trình dính bám hiếu khí tạo ra màng sinh học, là lớp nhờn dính của vi sinh vật, giúp chúng sinh trưởng và phát triển trên bề mặt vật liệu lọc Màng sinh học có khả năng phát triển trên mọi bề mặt vật liệu, như đã được nghiên cứu bởi Grandy et al (1999).
Giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát triển của vi sinh vật là sự dính bám, trong đó các đại phân tử bám vào bề mặt rắn Vi sinh vật tiết ra chất gelatin, giúp chúng dính chặt lên giá thể (Grandy et al, 1999).
Trong pha thứ hai của quá trình định cư (colonization), các tế bào vi sinh vật bám dính vào giá thể đã phát triển từ pha đầu tiên và bắt đầu sản xuất các chất polyme ngoại bào (EPS) Những phân tử EPS này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khung cấu trúc của màng sinh học, góp phần vào sự ổn định và chức năng của hệ sinh thái vi sinh vật (Grandy et al, 1999).
Pha thứ ba trong quá trình phát triển biofilm là sự hình thành của các vi sinh vật và EPS, với độ dày của màng phụ thuộc vào tốc độ phát triển, sự ổn định của biofilm và mức độ xáo trộn của dòng nước Các chủng vi sinh vật sẽ dính kết với nhau trên giá thể lọc, tạo thành một màng vi sinh vật dày khoảng 0,1-0,2 mm Tại đây, các vi sinh vật hiếu khí thực hiện quá trình phân huỷ và chuyển hóa các chất hữu cơ có trong nước thải (Grandy et al, 1999).
Vi sinh vật yếm khí chuyển hóa các chất hữu cơ thực hiện theo 3 bước (Trịnh Xuân Lai, 2009):
Vi sinh vật tự nhiên có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phức tạp và lipit trong nước thải, chuyển hóa chúng thành các chất hữu cơ đơn giản như monosacarit và amino axit Những chất này trở thành nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi sinh vật, góp phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải.
Vi khuẩn tạo men axit đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các vật chất hữu cơ đơn giản thành axit hữu cơ, đặc biệt là axit acetic Tiếp theo, vi khuẩn tạo metan chuyển hóa axit acetic và hydro thành khí cacbonic và metan, góp phần vào quá trình phân hủy và tái chế chất hữu cơ.
BÃI LỌC THỰC VẬT
2.3.1 Cấu trúc bãi lọc thực vật
Bãi lọc thực vật (wetland) là công trình xử lý nước thải được thiết kế theo mô hình tự nhiên, với hệ thống cây trồng được lựa chọn phù hợp với đặc điểm của đất ngập nước, nhằm đáp ứng hiệu quả trong việc xử lý nước thải.
Bãi lọc thực vật được thiết kế chủ yếu để xử lý nước thải, đồng thời cũng hỗ trợ các mục tiêu phụ như điều tiết lũ, bổ cập nước ngầm, điều hòa khí hậu, khai thác nguyên liệu thô và tạo môi trường sống tự nhiên cho động vật Nguồn ô nhiễm nước thải có thể xuất phát từ nước mưa, sinh hoạt hàng ngày, sản xuất dân dụng hoặc hoạt động công nghiệp Qua quá trình lọc, các chất ô nhiễm sẽ bị giữ lại bởi chất nền như đất, cát, sỏi và cây trồng, giúp nước trở nên sạch hơn.
Hệ thống xử lý nước thải bằng bãi lọc thực vật bao gồm hai loại chính: bãi lọc thực vật chảy mặt tự do và bãi lọc thực vật chảy ngầm Mỗi loại hệ thống này có thể được chia thành nhiều phương pháp xử lý khác nhau, tùy thuộc vào loại thực vật được trồng và đặc điểm dòng chảy cụ thể Trong một số trường hợp, có thể áp dụng hệ thống xử lý kiểu lai, kết hợp cả hai hệ thống đất ngập nước cơ bản.
Bãi lọc thực vật chảy mặt thường thích hợp cho các loại cây phát triển trong môi trường ngập nước dưới 0.4 m Các dạng bãi lọc này được phân loại chủ yếu dựa trên loại thực vật thủy sinh trồng trên đó Mặc dù không phải tất cả thực vật thủy sinh đều phù hợp cho khu xử lý nước bằng đất ngập nước, nhưng một số loại thực vật lớn như sậy, lác hến, năng và cỏ đuôi mèo, cũng như các thực vật nổi như lục bình, cây súng trắng, sen và súng vàng, thường được sử dụng Ngoài ra, các thực vật mọc nổi như sậy, cỏ nến và một số loại thủy thảo, rong kim ngư, rong thủy kiều cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái này.
Hình 2.2: Bãi lọc thực vật chảy mặt với thực vật nổi (Lê Anh Tuấn và ctv,
Bãi lọc thực vật chảy ngầm là một hệ thống thủy vực hoặc kênh dẫn với đáy không thấm, thường được lót bằng nylon, vải chống thấm hoặc đất sét, nhằm ngăn cản hiện tượng thấm ngang và tạo điều kiện cho cây trồng thủy sinh phát triển Có hai kiểu bãi lọc chính: hệ thống chảy ngang và hệ thống chảy đứng, lựa chọn tùy thuộc vào địa hình và lượng nước thải Nước thải sẽ chảy từ các khu vực cao hơn qua lòng dẫn, nơi có lớp đất nền và cây trồng, trải qua các quá trình hóa lý và hóa sinh như thấm rút, hấp thụ, bốc hơi và thoái biến do vi sinh Cuối cùng, nước thải được dẫn qua các lớp sạn, sỏi, đá hộc để thoát ra ngoài.
Hình 2.3: Bãi lọc thực vật chảy ngầm theo chiều ngang (Lê Anh Tuấn và ctv, 2009)
Hình 2.4: Bãi lọc thực vật chảy ngầm theo chiều đứng (Lê Anh Tuấn và ctv, 2009)
Bãi lọc thực vật kiểu lai kết hợp với các kiểu bãi lọc thực vật nhằm mục đích loại trừ hiệu quả các chất ô nhiễm (Lê Anh Tuấn và ctv, 2009)
Hình 2.5 Hệ thống bãi lọc thực vật kết hợp giữa kiểu chảy mặt và kiểu chảy ngầm (Lê Anh Tuấn và ctv, 2009)
2.3.2 Khả năng xử lý nước thải của bãi lọc thực vật:
Thực vật ở vùng đất ngập nước đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch nước thải, giúp tái tạo nguồn nước tự nhiên Qua quá trình quang hợp, cây cỏ trong môi trường này liên kết và loại bỏ các chất dinh dưỡng ô nhiễm Chúng không chỉ thay đổi tính chất vật lý và hóa học của nước thải mà còn phân hủy và chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong đất Đồng thời, thực vật cung cấp oxy từ không khí cho các tầng đất, hỗ trợ sự phát triển của bộ rễ Ngoài ra, thực vật trong đất ngập nước còn tham gia vào chu trình thủy văn, thể hiện vai trò nổi bật trong việc duy trì sự cân bằng sinh thái.
Khu đất ngập nước có khả năng xử lý nước thải thông qua các tác động vật lý của thực vật, làm ổn định bề mặt và giảm tốc độ dòng chảy, từ đó tăng khả năng lắng đọng và giữ lại chất rắn Bộ rễ phát triển sâu và lan rộng, tạo mạng lưới kết dính hạt đất, mở rộng diện tích hấp thu đạm và ion Khí khổng trong cây vận chuyển oxy từ lá xuống rễ, cung cấp nguồn oxy cho vi sinh hiếu khí phân hủy chất ô nhiễm Thực vật cũng phóng thích một lượng lớn chất hữu cơ qua rễ, có thể lên đến 25% lượng carbon cố định qua quang hợp, góp phần cung cấp carbon cho vi sinh vật thực hiện phản ứng khử nitrate.
Thực vật tạo ra bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính và phát triển thành màng sinh học, đồng thời giúp loại bỏ chất rắn Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong phân hủy và chuyển hóa các chất dinh dưỡng gây ô nhiễm, bao gồm cả quá trình khử đạm Rễ cây là nơi tập trung nhiều vi sinh vật, cung cấp nguồn vi sinh vật cộng sinh và giải phóng các chất tiết ra, trong đó việc bài tiết carbon góp phần khử nitơ, làm tăng hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm trong điều kiện hiếu khí Việc loại bỏ chất ô nhiễm, cả hữu cơ lẫn vô cơ, không chỉ phụ thuộc vào vi sinh vật mà còn được thực hiện bởi các loại cây có khả năng chịu đựng chất ô nhiễm, bao gồm cả kim loại nặng.
Tại vùng quyển rễ, thực vật phân hủy chất hữu cơ bằng cách kích thích rễ phóng thích enzyme, chuyển đổi chúng thành cacbon hữu cơ trong đất Quá trình này khác nhau tùy thuộc vào loại thực vật, diễn ra ở các bộ phận khác nhau Thực vật có khả năng phân hủy và chuyển hóa chất ô nhiễm thông qua trao đổi chất nội tại hoặc nhờ enzyme từ rễ khi bị kích hoạt bởi chất ô nhiễm bên ngoài Ngoài ra, các cây trồng luôn tạo ra một khu vực oxy hóa quanh rễ, bất kể trồng dưới nước hay trên cạn, do sự phóng thích oxy từ rễ làm tăng nồng độ axit thông qua phản ứng oxy hóa Fe 2+.
Quá trình hô hấp của rễ cây giải phóng ion H+ và CO2, dẫn đến sự thay đổi pH của đất Khu vực xung quanh rễ có mật độ vi sinh vật cao, nơi này thu hút nhiều loại vi sinh vật nhờ vào các enzyme, đường, vitamin và axit hữu cơ đơn giản được tiết ra từ rễ Sự hoạt động sinh học tại khu vực này lớn hơn so với các vùng khác, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình phân hủy và chuyển hóa chất dinh dưỡng Nguyên lý này là cơ sở để sử dụng thực vật trong xử lý nước thải ô nhiễm (Lê Văn Khoa và ctv, 2007).
Nhóm nghiên cứu của Hồ Bích Liên và cộng sự đã phát triển mô hình xử lý nước thải sau biogas bằng bể đất ngập nước dòng chảy bề mặt đứng, với nước thấm từ trên xuống qua các lớp vật liệu lọc Sau 18 ngày lưu giữ, nước thải được xử lý thông qua các cơ chế sinh học của thực vật và vi sinh vật, cơ chế vật lý của vật liệu nền, cùng với cơ chế hóa học Kết hợp với bể đất ngập nước dòng chảy ngang, hệ thống này đã đạt hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như BOD, COD, TSS, tổng nitơ và photpho trong nước thải chăn nuôi heo (Hồ Bích Liên và ctv, 2016).
Bãi lọc bằng thực vật là một công nghệ thân thiện với môi trường, dễ thực hiện và có hiệu suất xử lý cao Công nghệ này không chỉ ổn định mà còn có khả năng áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, giúp giảm thiểu ô nhiễm COD hiệu quả.
BOD, NH4 +, TSS lần lượt là 71%, 79%, 71%, 65% là kết quả hiệu suất đạt được sau khoảng 10 ngày xử lý (Nguyễn Thị Thúy Hà, 2018)
Bể lọc thực vật hoạt động bằng cách cho nước thải chảy từ từ qua các lớp đá nhỏ và lớn, tiếp theo là các lớp vật liệu lọc và thực vật, nơi bộ rễ cây xử lý nước từ trên xuống Quá trình hóa sinh diễn ra tại vùng rễ, nơi vi sinh vật tiêu thụ dưỡng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời bộ rễ hấp thu dưỡng chất và sản sinh oxy, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy hiếu khí Lớp cát và đá lọc thực hiện quá trình lọc cơ học, giúp loại bỏ hầu hết cặn lơ lửng trong nước thải.
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO SAU BIOGAS
Trong lĩnh vực xử lý nước thải hiện nay, giải pháp sinh học đang được ưa chuộng nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Biện pháp này không chỉ đơn giản và có chi phí hợp lý mà còn mang lại hiệu quả cao trong quá trình xử lý Đặc biệt, giải pháp sinh học rất thân thiện với môi trường, điều này càng làm tăng giá trị của nó trong các ứng dụng xử lý nước thải (Hồ Thanh Tâm và ctv, 2014).
Trong thiết kế công trình xử lý nước thải, có nhiều phương pháp hiệu quả như màng lọc, biện pháp hóa học và sinh học Đặc biệt, việc sử dụng hệ thống vi sinh hiếu khí và yếm khí để chuyển hóa các chất dinh dưỡng ô nhiễm cho thấy hiệu quả cao nhất Quá trình này nhằm loại bỏ các chất hữu cơ, chất lơ lửng, vi khuẩn và virus gây bệnh, đảm bảo đạt hàm lượng cho phép trước khi xả thải Theo Trịnh Xuân Lai (2009), các phương pháp xử lý nước thải có thể được chia thành ba nhóm cơ bản.
+ Phương pháp cơ học: sử dụng lưới lọc, qua màng, qua lớp vật liệu lọc, lắng lọc, tuyển nổi vớt bọt,
Phương pháp hóa lý là sự kết hợp giữa các chất hóa học và yếu tố vật lý trong quá trình xử lý nước thải, nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng Các kỹ thuật như trao đổi ion, clo hóa và keo tụ được áp dụng để đạt được mục tiêu này.
Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn, với sản phẩm cuối cùng bao gồm nước, cacbonic và một số chất vô cơ khác Phương pháp này được chia thành hai nhóm: xử lý bằng vi sinh hiếu khí trong môi trường có oxy và xử lý bằng vi sinh yếm khí trong môi trường không có oxy.
Xử lý cơ học là phương pháp quan trọng để loại bỏ các chất rắn không tan trong nước thải, bao gồm các vật thể lớn như nhựa, nhánh cây và các vật dụng khác trôi nổi Đồng thời, quy trình này cũng giúp loại bỏ cặn nặng như cát và sỏi, đảm bảo nước thải được làm sạch hiệu quả trước khi tiếp tục xử lý.
Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học không làm thay đổi bản chất hóa học và sinh học của nước Mục đích của xử lý cơ học là tạo ra bước đầu tiên nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng cho các giai đoạn xử lý tiếp theo Ví dụ, việc sử dụng lưới chắn để tách rác và bể lắng giúp loại bỏ các vật chất thô, làm cho nước trong hơn trước khi tiến vào các quy trình xử lý tiếp theo (Trịnh Xuân Lai, 2009).
• Song lưới chắn rác (hình 2.6):
Lưới chắn rác được lắp đặt ở đầu trạm bơm nhằm ngăn chặn và tách rác khỏi dòng nước, đảm bảo nước sạch chảy vào hồ bơm.
Hình 2.6: Song chắn rác(Nguồn https://gratingphucan.com, xem18.30 15/9/2020)
Bể lắng là một phương pháp hiệu quả để tách các chất ô nhiễm không tan trong nước Dựa trên tính năng, bể lắng được chia thành hai loại chính: bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp.
Bể lắng sơ cấp, đặt trước bể phản ứng sinh học, có chức năng tách các chất ô nhiễm lơ lửng, trong khi bể lắng thứ cấp, nằm sau bể phản ứng, tách bùn sinh học từ vi sinh vật ra khỏi hệ thống Các kiểu bể lắng được phân loại theo dòng chảy nước, bao gồm bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng ly tâm Bể lắng ngang, với thiết kế hình chữ nhật, cho phép nước thải di chuyển từ đầu đến cuối bể, nơi nước được dẫn đến các giai đoạn xử lý tiếp theo, và có hố thu gom cặn lắng ở đầu bể, trong khi nước sau lắng chảy vào hệ thống ở cuối bể.
Hình 2.7: Bể lắng ngang (Nguồn https://tailieumoitruongvn.wordpress.com, 2014)
Bể lắng đứng (hình 2.9) có cấu trúc với miệng mặt trên hình chữ nhật hoặc hình tròn và đáy hình nón lật ngược Nước thải được dẫn vào từ ống tập trung ở giữa, di chuyển từ dưới lên trên Lưu tốc nước di chuyển hướng lên phải thấp hơn vận tốc của các vật chất cần lắng, giúp cặn lắng xuống đáy và được xả ra ngoài, trong khi nước đã lắng được thu gom ở phía trên.
Bể lắng ly tâm là một thiết bị hình tròn với đáy nón và thanh gạt thu bùn, có máng phân phối nước ở trung tâm Nước từ bên ngoài chảy vào qua đáy bể, trong khi dàn quay giúp cặn lắng từ thành bể di chuyển về trung tâm Sau một thời gian, cặn lắng tích tụ ở đáy bể và được gạt vào ống thu cặn để xả thải, trong khi nước trong sau quá trình lắng được dẫn ra ngoài từ phía trên bể.
Hình 2.10: Mô hình bể lắng ly tâm (Nguồnhttp://www.tailieumoitruong.org, xem 21.15 15/9/2020)
Bể tuyển nổi (DAF - Disolved Air Flotation) là phương pháp hiệu quả để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và cặn lơ lửng Quá trình hoạt động của bể này dựa vào việc sục khí, giúp các chất ô nhiễm kết dính và tập trung lại Các thành phần ô nhiễm sẽ bám vào bề mặt giữa khí và nước, tạo thành hỗn hợp cặn-khí Khi tỷ trọng của hỗn hợp này giảm nhờ bọt khí, lực đẩy sẽ khiến chúng nổi lên bề mặt nước Cuối cùng, các chất cặn này được tách ra và loại bỏ một cách hiệu quả.
Có nhiều phương pháp tuyển nổi trong xử lý nước, bao gồm tuyển nổi cơ khí, tuyển nổi bọt, tuyển nổi điện hóa, tuyển nổi áp lực và tuyển nổi khí hòa tan Tuyển nổi cơ khí sử dụng cánh khuấy dưới đáy bể để tạo bọt khí, nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và dễ làm hỏng hạt cặn Tuyển nổi bọt có nhược điểm là thiết bị cồng kềnh và công suất thấp Tuyển nổi điện hóa tạo bọt khí nhỏ qua điện phân nước, có hiệu suất cao nhưng cũng tốn nhiều năng lượng và thiết bị đắt Tuyển nổi áp lực hiệu quả hơn với thiết bị đơn giản, tiêu thụ ít năng lượng và có thể áp dụng cho nhiều loại nước khác nhau Cuối cùng, tuyển nổi khí hòa tan sử dụng áp suất cao để hòa khí vào nước, sau đó giảm áp suất đột ngột để tạo bọt khí, giúp tách chất cặn hiệu quả.
Hình 2.11: Bể tuyển nổi DAF (Nguồn http://moitruongquochuy.com, xem 18.15 12/9/2020)
2.4.2 Phương pháp xử lý bằng hóa lý:
Xử lý hóa lý nước thải là quá trình sử dụng các chất hóa học để tạo phản ứng với các chất ô nhiễm, dẫn đến sự hình thành các chất mới có thể tồn tại dưới dạng cặn lắng hoặc hòa tan không độc hại Một trong những phương pháp phổ biến là keo tụ tạo bông, trong đó các tế bào vi sinh và hạt chất lơ lửng kết dính với nhau, tạo thành khối lớn và lắng xuống đáy, giúp làm sạch nước thải Quy trình này sử dụng các hóa chất như Aluminium chloride, Ferrous chloride và đặc biệt là Poly Aluminium Chloride (PAC) vì hiệu quả cao và dễ sử dụng Các cơ chế keo tụ bao gồm tạo liên kết hạt keo, ngậm kết tủa, ép nén lớp điện tích kép và trung hòa điện tích, giúp giảm điện tích bề mặt của hạt keo, từ đó tăng cường khả năng tách chất ô nhiễm khỏi nước.
Hình 2.12: Bể keo tụ tạo bông (Nguồnhttps://moitruongxuyenviet.com, xem 09.05 15/9/2020)
Trao đổi ion là quá trình tương tác hóa học giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, bao gồm phản ứng thế giữa các ion trong pha rắn và ion trong pha loãng Quá trình này phụ thuộc vào loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau Có hai phương pháp chính trong trao đổi ion: phương pháp với lớp nhựa chuyển động, cho phép vận hành và tái sinh liên tục, và phương pháp với lớp nhựa cố định, thường được sử dụng với vận hành và tái sinh không liên tục Trong số đó, phương pháp trao đổi ion với lớp nhựa cố định là phổ biến nhất.
Hình 2.13: Hạt nhựa trao đổi ion (Nguồn http://moitruongviet.edu.vn, xem 18.10 12/9/2020)
