Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi

Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 2
MỤC LỤC
MỤC LỤC
Trang
Trang
I. Khử trùng bằng phương pháp vật lý ...................................................... 3
1. Phương pháp nhiệt.............................................................................................. 3
2. Khử trùng bằng tia cực tím............................................................................... 3
3. Khử trùng bằng siêu âm ................................................................................... 4
II. Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học ........................................ 4
1. Trung hoà nước thải .......................................................................................... 4
2. Phương pháp hấp phụ ....................................................................................... 5
3. Phương pháp quang xúc tác ............................................................................. 6
4. Phương pháp kết tủa ......................................................................................... 7
5. Phương pháp oxi hoá khử ................................................................................ 7
III. Xử lý chất thải hữu cơ bằng biện pháp sinh học ............................... 9
1. Công nghệ sản xuất phân hữu cơ .................................................................... 9
2. Kỹ thuật sản xuất giun đất từ phân gia súc ...................................................12
3. Sản xuất sinh khối tảo làm sạch môi trường .................................................14
4. Ứng dụng tảo ......................................................................................................19
IV. Tổng quan về tình hình sử dụng và ưu điểm biogas .........................21
1. Khái niệm chung và quá trình phát triển .......................................................23
2. Một hệ thống năng lượng khép kín gồm ........................................................24
3. Các loại hầm khí sinh vật được áp dụng ........................................................25
• Loại hầm ủ nắp cố định, có vòm đúc ......................................................25
• Loại hầm ủ nắp vòm cầu do chương trình phát triển khí sinh học
quốc gia phổ biến ....................................................................................................25
• Các loại túi biogas ......................................................................................27
V. Tiểu chuẩn về xử lý chất thải với ngành chăn nuôi ..........................28
1. Khái niệm về COD ............................................................................................29
2. Phương pháp xác định COD ............................................................................29

VI. Bài toán hiệu quả kinh tế sử dụng biogas .............................................30
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 3
VII. Tài liệu tham khảo...............................................................................................32
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để
đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi
I. Khử trùng bằng phương pháp vật lý
I.1. Phương pháp nhiệt
Đây là phương pháp đơn giản và lâu đời nhất, giết được các vi thể gây bệnh như
các vi khuẩn, vi trùng, nang , trứng. Đó là biện pháp hiệu quả trong xử lý phạm vi
hộ gia đình, song không khả thi trong xử lý nước cấp cho cộng đồng, chỉ sử dụng
trong trường hợp khẩn cấp.
I.2. Khử trùng bằng tia cực tím
Là phương pháp khử trùng đối với nước trong, hiệu quả giảm đang kể khi nước
đục hoặc chứa các phần tử như nitrat, sunfat và sắt.
Nước làm sạch bằng phương pháp này không bị thay đổi tính chất và vị của nó.
Tuy nhiên, phương pháp này giá thành cao chỉ thấy ở các nước phát triển.
Tia UV có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, vi rút và vài loại ký sinh trùng. Tuy
nhiên, nó không thể tiêu diệt được trứng Giardia. Phương pháp này đã được sử dụng
hơn 75 năm nay để khử trùng nguồn nước cấp. Tuy nhiên, cho tới nay người ta chưa
thiết kế những hệ thống để sử dụng cho gia đình. Hiện nay, bang Ohio (Hoa Kỳ) vẫn
chưa cho phép sử dụng phương pháp này để xử lý nước cấp.
Theo biện pháp này, nước được cho qua một bể chứa có lắp đặt một đèn thạch
anh - thủy ngân phát ra tia UV. Bức xạ UV tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa các vi sinh vật
gần như lập tức.
UV là một biện pháp rất hữu hiệu để khử trùng. Tuy nhiên, việc khử trùng chỉ
xảy ra trong bể chứa. Do đó, khả năng nước bị nhiễm khuẩn lại sau khi ra khỏi bể
chứa có thể xảy ra.
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 4
Muốn tiêu diệt được vi khuẩn, tia UV phải tiếp xúc với vi khuẩn đó, do đó
nguồn sáng phải luôn luôn giữ "sạch". Các dung dịch sodium hydrosulfite (0,15%)

và acid citric (0,15%) là dung dịch hữu hiệu để tẩy rửa các chất bám trên nguồn
sáng (với thời gian tẩy rửa qua đêm). Các vi khuẩn chết có thể là vật chắn tia UV
cho các vi khuẩn còn sống, do đó khả năng khử trùng bằng tia UV cũng có giới hạn.
Giới hạn tối đa cho việc xử lý bằng tia UV là 1000 coliform tổng số/100mL và 100
fecal coliform/100 mL.
Để khử trùng bằng tia UV có hiệu quả, đôi khi chúng ta cần phải sử dụng hệ
thống tiền xử lý để khử màu, độ đục và các hạt hữu cơ. Nước có chứa nhiều khoáng
có thể đóng cặn trên đèn, do đó cần phải có hệ thống xử lý nước cứng để đề phòng
trường hợp này.
I.3. Khử trùng bằng siêu âm
Đây là một phương pháp khử trùng triệt để nhưng tốn kém.
Dưới tác dụng của sóng siêu âm giết chết các tế bào thực, động vật, các vi sinh
và cả những cơ thể lớn hơn rất độc có trong nước uống và nước kỹ thuật

II. Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học
1. Trung hoà nước thải
Nước thải thường có pH không thích hợp cho các quá trình xử lý sinh học hoặc
thải ra môi trường, do đó nó cần phải được trung hòa. Có nhiều cách để tiến hành
quá trình trung hòa
 Trộn lẫn nước thải có pH acid và nước thải có pH bazơ. Bằng cách trộn lẫn
hai
loại nước thải có pH khác nhau, chúng ta có thể đạt được mục đích trung hòa. Quá
trình này đòi hỏi bể điều lưu đủ lớn để chứa nước thải.
 Trung hòa nước thải acid: người ta thường cho nước thải có pH acid chảy
qua một
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 5
lớp đá vôi để trung hoà; hoặc cho dung dịch vôi vào nước thải, sau đó vôi được tách
ra bằng quá trình lắng.
 Trung hòa nước thải kiềm: bằng các acid mạnh (lưu ý đến tính kinh tế). CO
2

cũng
có thể dùng để trung hòa nước thải kiềm, khi sục CO
2
vào nước thải, nó tạo thành
acid carbonic và trung hòa với nước thải.

Hình: Bể trung hoà nước thải có tính axit
2.Phương pháp hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình tập hợp các chất hoà tan trong dung dich lên bề
mặt chung của chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất khí hoặc giữa chất lỏng và chất
rắn thích hợp
Xử lý bằng bột than hoạt tính: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước
thải sau xử lý sinh học) được cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định
bột than hoạt tính được cho lắng, hoặc lọc. Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử
dụng thêm các chất trợ lắng polyelectrolyte. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể
aeroten để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi
sử dụng thường được tái sinh để xử dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinh bột
than hoạt tính chưa được tìm ra, đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh
trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quá trình
tái sinh 5 - 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt mới
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 6
\
Khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt được tính bằng công thức:

[8,34lb/Mgal.(mg/L)]
Với

(X/m)
b

: khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt, lb/lb hoặc g/g
(thực tế, bằng khoảng 25 ¸ 50% giá trị lý thuyết)
X
b
: trọng lượng của chất hữu cơ bị hấp phụ bởi các hạt than hoạt tính lb hoặc g
M
c
: trọng lượng than hoạt tính sử dụng cho cột lọc
Q: lưu lượng nước thải, Mgal/d
C
i
: hàm lượng chất hữu cơ của nước thải, mg/L
C
b
: hàm lượng chất hữu cơ bị hấp phụ (lý thuyết), mg/L
t
b
: thời gian cần thiết cho quá trình hấp phụ
3.Phương pháp quang xúc tác
Quá trình quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hóa bằng
chất xúc tác, dựa trên nguyên tắc chất xúc tác Cat nhận năng lượng ánh sáng sẽ
chuyển sang dạng hoạt hóa * Cat, sau đó * Cat sẽ chuyển năng lượng sang cho chất
thải và chất thải sẽ bị biến đổi sang dạng mong muốn. Quá trình có thể tóm tắt như
sau:
Cat + nlgás  * Cat
* Cat + chất thải  * chất thải + Cat
* Chất thải  sản phẩm
Hoặc:
*Cat + chất thải  (chất thải)
-

+ Cat
+
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 7
(chất thải)
-
 (sản phẩm)
-
Cat
+
+ (sản phẩm)
-
 sản phẩm + Cat
Một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất quang xúc tác trong đó zinc oxide
ZnO, titanium dioxide TiO
2
, zinc titanate Zn
2
TiO
2
, cát biển, CdS là các chất cho
hiệu quả cao. TiO
2
rất hiệu quả trong việc phân hủy chloroform và urea (Kogo et al.,
1980), thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ như dimethyl phosphate (Harada et al., 1976).
Cyanide (CN
-
) (10.6 ppm KCH, 0,01 M NaOH) có thể bị phân hủy nhanh chóng
trong môi trường có chứa 5% TiO
2
và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 350

nm (Carey and Oliver, 1980). Đầu tiên CN
-
bị oxy hóa thành CNO
-
. Sau đó hàm
lượng CNO
-
giảm dần chứng tỏ nó tiếp tục bị oxy hóa.
Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200
o
A tạo
nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO
2
và nước
(Nemerow và Dasgupta, 1991).
4.Phương pháp kết tủa
Khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt được tính bằng công
thức: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) được
cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho
lắng, hoặc lọc. Kết tủa là phương pháp thông dụng nhất để loại bỏ các kim loại nặng
ra khỏi nước thải. Thường các kim loại nặng được kết tủa dưới dạng hydroxide. Do
đó, để hoàn thành quá trình này người ta thường cho thêm các base vào nước thải để
cho nước thải đạt đến pH mà các kim loại nặng cần phải loại bỏ có khả năng hòa tan
thấp nhất. Thường trước quá trình kết tủa, người ta cần loại bỏ các chất ô nhiễm
khác có khả năng làm cản trở quá trình kết tủa. Quá trình kết tủa cũng được dùng để
khử phosphate trong nước
5.Phương pháp oxi hoá khử
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 8
Quá trình oxy hóa khử cũng được sử dụng để xử lý các chất thải độc hại. Hai
bảng sau liệt kê các chất oxy hóa khử và các loại chất thải thường được áp dụng

phương pháp này.
Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa
Chất oxy hóa Loại chất thải
Ozone -
Không khí (oxy khí
quyển)
Sulfite (SO
3
-2
), Sulfide (S
-2
), Fe
+2
Khí Chlor Sulfide, Mercaptans
Khí chlor và xút Cyanide (CN
-
)
Chloride dioxide Cyanide, thuốc trừ sâu (Diquat, Paraquat)
Hypochlorite natri Cyanide, chì
Hypochlorite canxi Cyanide
Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất
hữu cơ có lưu huỳnh, Rotenone, formaldehyde
Permanganate Mn
Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì
Xử lý chất thải bằng chất khử
Chất thải Chất khử
Cr (6) SO
2
, muối sulfite (sodium bisulfite, sodium
metabisulfite, sodium hydrosulfite), sulfate sắt,

bột sắt, bột nhôm, bột kẽm.
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 9
Chất thải có chứa thủy
ngân
NaBH
4
Tetra-alkyl-lead NaBH
4
Bạc NaBH
4
III. Xử lý chất thỉa hữu cơ bằng biện pháp sinh học
1. Công nghệ sản xuất phân hữu cơ
Phân gia súc (PGS) là nguyên liệu chứa nhiều chất hữu cơ có giá trị dinh dưỡng
cho cây trồng rất cao tuy nhiên có hai vấn đề cần giải quyết trước khi dung chúng
như một loại phân bón:
• Làm giảm lượng nước có trong phân gia súc.
• Vi sinh vật gây bệnh có trong phân không bị tiêu diệt, chúng sẽ theo phân
phát
tán bệnh tật ra ngoài môi trường.
Việc sử dụng phân gia súc làm nguyên liệu sản xuất phân bón có những ích lợi
sau:
• Tận dụng toàn bộ lượng chất hữu cơ có trong chất thải, chuyển chúng
thành
những chất có giá trị dinh dưỡng cao cho cây trồng.
• Việc sử dụng chất thải từ phân gia súc để tái sản xuất trong nông nghiệp
còn
có một ý nghĩa rất lớn là làm sạch môi trường, loại trừ các tác động xấu do chúng
gây ra.
Công nghệ sản xuất phân hữu cơ nhờ VSV
Phân gia súc

Làm giảm hàm lượng nước chất độn
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 10
Lên men (ủ)
Phân hữu cơ
Toàn bộ công nghệ được thực hiện như sau:
1. Quá trình làm giảm hàm lượng nước
Được tiến hành theo hai bước:
Bước 1: người ta cho chất độn hữu cơ có độ ẩm thấp vào để làm giảm độ ẩm
chung của chất thải. chất hữu cơ được sử dụng như chất độ ở đây vừa có tác dụng
làm giảm hàm lượng nước vừa là ngyên liệu hữu cơ cần thiết cho quá trình ủ.
Khi cho chất độn hữu cơ vào chất thải chăn nuôi, phải tính toán sao cho độ ẩm
cuối cùng trước khi tiến hành lên men đạt 55-60%.
Các chất hữu cơ thường được sử dụng là bột lõi ngô; vỏ cà phê; mạt cưa; bột
rơm rạ. chúng còn tác dụng như là một chất hữu cơ và như một chất xốp tạo điều
kiện xâm nhập của oxy không khí.
Bước 2: quá trình giảm độ ẩm thức sự chỉ khi tiến hành lên men. Khi lên men
xảy ra, nhiệt độ khối ủ tăng lên 65-70
o
C, nhiệt độ cao làm nước thoát ra khỏi khối ủ.
Sau 10 ngày, hàm lượng nước trong khối ủ còn lại 45% và sau 30 ngày hàm lượng
nước còn lại < 30%.
2. Lên men chất thải
Quá trình lên men chất thải được thực hiện trong các bể ủ, các bể ủ này được
xây dựng bằng gạch và xi măng. Nền ủ được gia cố rất chắc chắn và có lắp đặt hệ
thong cung cấp không khí. Bể ủ thường có kích thước như sau:
Chiều ngang 6-8m
Chiều cao 2-2,5m
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 11
Chiều dài 20- 30m
Ngoài kiểu bể ủ có hệ thống thổi khí và cung cấp không khí, trên thế giới còn

thiết kế loại bể ủ không có hệ thống thổi khí mà chỉ láp đặt hệ thống đảo trộn.
Quá trình lên men là quá trình sinh học do các VSV có sẵn trong chất thải tiến
hành. Quá trình này bao gồm:
• Quá trình tăng sinh khối VSV có trong khối ủ
Đây là quá trình hiếu khí nên trong khối ủ các loài VSV hiếu khí phát triển, các
loài vi sinh vật yếm khí bị ức chế và bị tiêu diệt, các loại bào tử của vi khuẩn yếm
khí vẫn còn tồn tại trong khối lên men.
Quá trình tăng sinh khối được thúc đẩy không chỉ nhờ quá trình thổi khí mà còn
được thúc đẩy nhờ quá trình đảo trộn nhờ máy đảo trộn được lắp đặt trên khối ủ.
Nhờ có đảo trộn mà các vi sinh vật ở trên bề mặt và ở dưới đáy bể ủ đều có cơ hội
tiếp xúc với oxy không khí như nhau và phát riển với tốc độ như nhau. Mặt khác,
các loại chất hữu cơ sẽ được chuyển hóa ở cùng một mức độ, các loại khí, hơi nước
được thoát ra ngoài nhanh hơn.
Ở những bể ủ không có lắp đặt hệ thống phân phối kí, người ta thường lắp đặt
hệ thống quạt gió công nghiệp.quạt gió có tác dụng làm tăng mức độ cung cấp
không khí cho khối ủ và làm hạ nhiệt độ của khối ủ xuống để tránh ảnh hưởng xấu
đến quá trình ủ.
• Quá trình chuyển hóa vật chất
Quá trình ủ kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, các chất proten, polysaccharit,
lipit và những chất khác nhanh chóng bị phân hủy bởi enzyme của VSV và quá trình
tạo mùn xảy ra. Chất thải nhanh chóng chuyển sang trạng thái ổn định.
Bên cạnh quá trình phân giải bởi các enzyme phân giả, trong khối ủ chất thải gia
súc có nhiều vi khuẩn tham gia quá trình vô cơ hóa chất hữu cơ. Quá trình này rất
có lợi cho cây trồng khi được bón loại phân ủ từ chất thảỉ gia súc.
• Quá trình ủ là quá trình mất chất dinh dưỡng do quá trình phân hủy
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 12
quá mạnh của enzyme protease amylase và những enzyme khác
Quá trình phân giải trong ủ chất thải được coi là hiệu quả khi sự phân giải này
xảy ra không triệt để. Nếu xảy ra quá trình phân giải triệt để sẽ tạo thành NH
3

, H
2
0,
CO
2
, CH
4
, các loại khí khác. Đây là quá trình phân giải hóa học, chính vì thế lượng
cacbon, nitơ, hidro, oxy sẽ giảm, quá trình này không có lợi. Tuy nhiên, các chất
trên giảm tới một giới hạn nhất định thường không giảm nữa mà tới một ngưỡng
nhất định. Ở đó, tỉ lệ C/N là hợp lí để đảm bảo rằng chất lượng phân ủ đã ổn định.
• Trong quá trình xử lý chất thải người ta phải xử lý mùi hôi thối
Trong chất thải chứa nhiều hợp chất dễ phân hủy nên cả trong điều kiện yếm khí
và hiếu khí, đều tạo ra rất nhiều chất khí có mùi rất khó chịu. để giải quyết vấn đề
này, người ta thường áp dụng những giải pháp sau
Khi cho chất độ người ta thường cho vào đó bột gỗ có chứa tinh dầu (như bột gỗ
bạch đàn, tràm, hoặc bột lá bạch đàn, lá chàm, bột gỗ sồi, bột lá sồi…). tinh dầu có
tác dụng ức chế vi sinh vật gây thối và mùi tinh dầu được thoát ra từ các nguyên
liệu này làm hạn chế mùi hôi thối.
Trong quá trình lên men và trước lên men, người ta phun chế phẩm vi sinh vật.
Các vi khuẩn này là những loài thuộc nhóm vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn lactic và
vi khuẩn sắt. các loài vi sinh vật này có thể làm hạn chế quá trình tạo H
2
S và các khí
khác, có thể tạo pH acid. pH acid sẽ làm chậm hoặc triệt tiêu sự tạo thành NH
3
và
một số khí thối khác.
Khi cho chất thải vào bể ủ, người ta không tạo ra khối ủ có chiều dày lớn mà chỉ
tạo ra khối ủ có chiều dày < 30cm. Điều kiện thoáng khí tối đa này cũng hạn chế

quá trình tạo khí thối.
2. Kỹ thuật sản xuất giun đất từ phân gia súc
Trong nhiều loài giun hiện đang có trong thiên nhiên, người ta thường sử dụng
giun tròn và giun quế để xử lý chất thải hữu cơ.
Nghiên cứu quy trình và thiết kế xử lý chất thải để đạt tiêu chuẩn ngành đối với trại chăn nuôi 13
Giun đất chứa hàm lượng protein rất cao, các kết quả phân tích cho thấy hàm
lượng protein của giun có thể đạt đến 70% trọng lượng khô. Các acid amin trong
protein của giun đất khá đầy đủ và cân đối. Đặc biệt trong sinh khối của giun quế
chứa rất nhiều vitamin như: thiamin, niacine, acid pantotenic, vitamin B
12
,
pyrodocine, acid polic, biotin.
Kỹ thuật xử lý phân gia súc để thu nhận sinh khối giun quế:
• Nguyên liệu:
Nguyên liệu được sử dụng để nuôi giun quế là các loại phân gia súc, gia cầm.
Ngoài các loại phân gia súc, gia cầm, giun quế còn có khả năng tiêu hủy chất thải
sinh học, do đó ta có thể trộn
phân gia súc, gia cầm với
chất thải sinh học để nuôi
giun quế.
Hình: Nguyên liệu thô
sau khi xử lý bằng men vi
sinh đang được nghiền
thành bột
• Kỹ thuật sản xuất
Tùy theo điều kiện, người ta xây dựng những bể xi măng hình chữ nhật có chiều
cao thành là 0,5 m cũng có thể đóng các bể bằng gỗ hình khối chữ nhật. thành bể có
thể cao hơn 0,5 m để tránh hiện tượng giun thoát ra khỏi bể.
Phân gia súc được nghiền nhỏ, được điều chỉnh độ ẩm đến 70% và trải đều vào
bể với kích thước chiều cao là 20m, trộn đều với giống. Dùng bao bố phủ kín bề

mặt, bao bố được làm ẩm thường xuyên. Chỉ sau 2 - 3 ngày, ta dở bề mặt lên đã
thấy nhiều giun con ngôi lên phủ khắp bề mặt khối chất thải.