Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc sinh học thiếu hiếu khí kết hợp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*******


NGUYỄN THỊ NGA


NGHIÊN CỨU XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC
THIẾU-HIẾU KHÍ KẾT HỢP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng







HÀ NỘI - 2014
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*******


NGUYỄN THỊ NGA

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC
THIẾU-HIẾU KHÍ KẾT HỢP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
TS. PHAN ĐỖ HÙNG




HÀ NỘI - 2014
LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các Thầy giáo, Cô giáo, gia đình, bạn
bè cùng sự nỗ lực của bản thân, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu đề tài
“Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc sinh học
thiếu – hiếu khí kết hợp” đã được hoàn thành.
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS. Phan
Đỗ Hùng đã giành thời gian đọc bản thảo, bổ sung và đóng góp nhiều kinh
nghiệm quý báu cho đề tài. Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy giáo, Cô
giáo khoa Hóa Học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giảng
dạy trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị tại viện Công nghệ
Môi trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đồng thời
gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên, khích lệ em trong

quá trình thực hiện khóa luận.
Trong quá trình nghiên cứu và làm đề tài không tránh khỏi những thiếu
sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy giáo, Cô
giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện và mang lại hiệu quả cao hơn.

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Thị Nga





LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài:
“Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc
sinh học thiếu - hiếu khí kết hợp” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo - TS. Phan Đỗ Hùng. Tôi xin cam đoan những kết quả trong khóa
luận là kết quả nghiên cứu của bản thân, không trùng với kết quả nghiên cứu
của tác giả khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Nga

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MBR
: Membrane Biorector - lọc sinh học - màng.
TTNC
: Trung tâm nghiên cứu.
QCVN
: Quy chuẩn Việt Nam.
TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam.
COD
: Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học.
BOD
: Biochemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hóa.
DO
: Dissolved Oxygen - Oxi hòa tan.
TSS:
: Total Suspended Solid – Tổng chất rắn lơ lửng.
MLSS
: Mixed Liquor Suspended Solid – Tổng lượng sinh khối.
MLVSS
: Mixed Liquor Volatile Suspended Solid - Tổng lượng sinh
khối + chất rắn hòa tan trong bể arotank.
UASB
: Upflow anearobic sludge blanket - bể xử lý sinh học dòng
chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí.
Aerotank
: Bể xử lý sinh học hiếu khí.
Anamox
: Anaerobic Ammonium Oxidation - oxy hóa amoni yếm
khí.
SBR

: Sequencing Batch Reactor - Bể phản ứng theo mẻ.
VSV
: Vi sinh vật.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam và định hƣớng phát triển 3
1.2. Đặc trƣng về nƣớc thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý
nƣớc thải chăn nuôi 5
1.2.1. Đặc trưng về nước thải chăn nuôi lợn 5
1.2.2. Thực trạng quản lý và hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi 6
1.3. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn 9
1.3.1. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng biogas 9
1.3.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu
khí 11
1.3.3. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học
thiếu khí - hiếu khí 13
1.4. Giới thiệu về phƣơng pháp lọc sinh học ngập nƣớc thiếu khí -
hiếu khí 15
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu 18
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 18
2.1.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu 20
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 21
2.2.1. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 21
2.2.2. Phương pháp khảo sát hiện trường 22
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm 22
2.2.4. Phương pháp phân tích 22

2.2.5. Phương pháp tính toán 23
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24
3.1. Các chế độ thí nghiệm thay đổi chu kỳ sục khí - ngừng sục khí
của hệ lọc sinh học ngập nƣớc 24
3.2. Ảnh hƣởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến hiệu quả
xử lý COD, nitơ của hệ thống 24
3.2.1. Hiệu quả xử lý COD 24
3.2.2. Hiệu quả xử lý Nitơ 26
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32



DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Bảng 1.1. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập
trung 6
Bảng 2.1. Thành phần của nước thải chăn nuôi lợn trong nghiên cứu 18
Bảng 2.2. Các chế độ vận hành 21

Hình 1.1. Tốc độ tang trưởng theo thống kê hang năm 4
Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo
điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 7
Hình 2.1. Hệ thống lọc sinh học ngập nước trong thực tế 20
Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến hiệu quả
xử lý COD 25
Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến hiệu quả
xử lý NH
4
+

26
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến sự
chuyển hóa NO
2
-
và NO
3
-
28
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến hiệu quả
xử lý T - N 29

Sơ đồ 1.1. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn đang áp dụng
tại các trang trại 8
Sơ đồ 2.1. Hệ thống thiết bị thực nghiệm 19

1
MỞ ĐẦU

Nền kinh tế việt nam là nền kinh tế nhiều thành phần nhưng vẫn lấy
phát trển nông nghiệp làm căn bản. Trong đó ngành chăn nuôi nói chung và
chăn nuôi lợn nói riêng đang phát triển với tốc độ rất cao nhằm đáp ứng nhu
cầu về thực phẩm ngày càng tăng. Với những đặc tính riêng như tăng trọng
nhanh, vòng đời ngắn chăn nuôi lợn được quan tâm đặc biệt vì nhu cầu thịt
lợn ngày một tăng cả về số lượng và chất lượng đã thúc đẩy ngành chăn nuôi
chuyển sang một bước phát triển mới. Định hướng phát triển chăn nuôi tập
trung, chăn nuôi lợn quy mô trang trại công nghiệp đang được phát triển
nhanh ở Việt Nam trong những năm gần đây. Số lượng trang trại trong giai
đoạn 2001 - 2008 tăng trên 50% năm 2009 - 2010 tăng 13,2%. Hiện nay cả
nước có khoảng 8500 trang trại chăn nuôi lợn tập trung, cung cấp khoảng

45% sản lượng thịt lợn. Quy mô đàn lợn cả nước năm 2013 khoảng 26,3 triệu
con, so với tổng quỹ đất đai và dân số đây là một con số lớn. Chăn nuôi lợn
tập trung quy mô lớn trong điều kiện diện tích trang trại hạn hẹp và gần với
các khu dân cư đang dẫn đến một lượng lớn chất thải chứa nhiều phân và
nước tiểu được thải ra trong những không gian hạn chế, đang gây ra những
tác động môi trường tiêu cực đến khu vực trang trại và xung quanh. Theo báo
cáo tổng kết của viện chăn nuôi [7], hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước
thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt
là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H
2
S và NH
3
cao hơn mức cho phép
khoảng 30 - 40 lần. [1]
Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần.
Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa coliform, e.coli, COD , và trứng
giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép.
2
Hiện nay, hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn xử lý nước thải mới dừng
lại ở công đoạn xử lý bằng quá trình yếm khí (hầm biogas), một số trang trại
sau xử lý yếm khí thì có xử lí qua chuỗi hồ sinh học. Tuy nhiên nước thải
chăn nuôi sau quá trình xử lý yếm khí có nồng độ N, P rất cao, nên hiệu quả
xử lý không cao nếu thải ra gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Xuất phát
từ tình hình thực tế đó, căn cứ vào phạm vi của khóa luận tốt nghiệp, em lựa
chọn đề tài là: “Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương
pháp lọc sinh học thiếu - hiếu khí kết hợp”.

3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Hiện trạng về chăn nuôi lợn ở Việt Nam và định hƣớng phát triển
Theo thống kê năm 2013, tổng đàn lợn cả nước đạt 26,3 triệu con, ngành
chăn nuôi lợn trong những năm gần đây phát triển với tốc độ nhanh nhưng
chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng
trại và kỹ thuật chăn nuôi. Do đó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm
môi trường một cách trầm trọng. Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm
thải ra khoảng 75 - 85 triệu tấn chất thải, với phương thức sử dụng phân
chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra
môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Theo báo cáo của cục chăn nuôi, lượng chất thải từ chăn nuôi lợn thải
ra môi trường đang tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây. Nếu như
năm 2008, tổng lượng chất thải rắn chăn nuôi thải ra môi trường là 80,4 triệu
tấn, thì tới năm 2010 đã tăng lên nhiều, với tổng đàn 300 triệu con gia cầm và
hơn 37 triệu con gia súc, nguồn chất thải từ chăn nuôi ra môi trường lên tới
84,45 triệu tấn. Trong đó, nhiều nhất là chất thải từ lợn (24,96 triệu tấn), tiếp
đến gia cầm (21,96 triệu tấn) và bò (21,61 triệu tấn).
Ước tính, hiện có tới 80% các bệnh nhiễm trùng ở nông thôn có liên

quan tới nguồn nước bị nhiễm vi sinh vật như giun sán, tả, bệnh ngoài da,
mắt… Nguyên nhân chủ yếu do hầu hết người chăn nuôi chưa xử lý chất thải
lỏng trong chăn nuôi, vứt xác gia cầm, gia súc bừa bãi và hệ thống thoát nước
đơn giản.
Tính đến giữa năm 2010 cả nước có 23,558 trang trại chăn nuôi (tăng 42%
so với năm 2006). Quy mô đàn lợn tăng nhanh từ 26,85 triệu con năm 2006 lên
27,37 triệu con năm 2010. Năm 2013, đàn lợn đã đạt 26,3 triệu con, đàn gia cầm
4
đạt 314,7 triệu con và đàn trâu 2,6 triệu con, đàn bò đạt 5,2 triệu con. Định
hướng phát triển đến năm 2020 cơ bản chuyển sang trang trại, công nghiệp.
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
đv: nghìn con

Hình 1.1. Tốc độ tăng trưởng theo thống kê hàng năm
(Nguồn: Tổng cục thống kê – 2011)

Theo quyết định số 10/2008/QĐ - TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của
Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến
năm 2020 thì:
+ Đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phương
thức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo
chất lượng cho tiêu dùng và xuất khẩu.
+ Tỷ trọng chăn nuôi trong nông nghiệp đến năm 2020 đạt trên 42%,
trong đó năm 2010 đạt khoảng 32% và năm 2015 đạt 38%.

+ Đảm bảo an toàn dịch bệnh và vệ sinh an toàn thực phẩm, khống chế
có hiệu quả các bệnh nguy hiểm trong chăn nuôi.
5
+ Các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phương thức trang trại,
công nghiệp và cơ sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử
lý chất thải, bảo vệ và giảm ô nhiễm môi trường.
+ Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2008 - 2010 đạt khoảng 8 - 9%
năm, giai đoạn 2010 - 2015 đạt khoảng 6 - 7% năm và giai đoạn 2015 - 2020
đạt khoảng 5 - 6% năm.
1.2. Đặc trƣng về nƣớc thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý nƣớc thải
chăn nuôi
1.2.1. Đặc trưng về nước thải chăn nuôi lợn
Nước thải chăn nuôi lợn là một trong những loại nước thải rất đặc
trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng chất
hữu cơ, cặn lơ lửng, Nitơ, Photpho và sinh vật gây bệnh. Do đó, nước thải
chăn nuôi, nhất thiết phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Các
thành phần chính trong nước thải chăn nuôi lợn gồm có:
a. Các chất hữu cơ
Trong nước thải chăn nuôi lợn, hợp chất hữu cơ chiếm 70 - 80% bao
gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của
chúng có trong phân, thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy, ngoài
ra còn có các chất khó phân hủy sinh học như các hợp chất hydrat cacbon hợp
chất vòng thơm, hợp chất đa vòng, hợp chất chứa clo hữu cơ. Các chất vô cơ
chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối clorua, SO
4
2-
,…
b. Tổng Nitơ và Photpho
Khả năng hấp thụ nitơ và photpho của các loài gia súc, gia cầm rất kém,
nên khi ăn thức ăn có chứa nitơ và photpho thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo

phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng
nitơ và photpho rất cao. Hàm lượng nitơ tổng trong nước thải chăn nuôi lợn
300 - 550 mg/l, trong đó N - NH
4
+

chiếm khoảng 80 - 90%, photpho tổng từ
60 - 100 mg/l. [5]
6
c. Vi sinh vật gây bệnh
Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, vi khuẩn, virus và trứng
ấu trùng giun sán gây bệnh.
Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện Chăn
Nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc các tỉnh
thành phố như Hà Nội, Ninh Bình, Quảng Nam, Bình Dương cho thấy đặc
trưng của nước thải chăn nuôi (được thể hiện trong bảng 1.1).
Bảng 1.1. Chất lƣợng nƣớc thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi
tập trung
Chỉ
tiêu
Đơn
vị
Trại
Đan
Phƣợng
TTNC
Lợn
Thụy
Phƣơng
Trại

lợn
Tam
Điệp
Trại
Hồng
Điệp
Trại
Gia
Nam
QCVN
40:2011/BT
NMT(cột B)
pH

7,15
7,26
7,08
6,83
6,78
5,5 - 9
BOD
5

mg/l

2.339
2.080
1.882
2.221
1.783

50
COD
mg/l
4.397
3.224
2.924
3.824
2.251
150
P tổng
mg/l
99,4
80,2
69,4
85,6
57,4
6
N-tổng
mg/l
332
280
250
275
204
40
(Nguồn: Điều tra đánh giá hiện trạng MT trại chăn nuôi lợn- Viện Chăn nuôi, 2006)
1.2.2. Thực trạng quản lý và hiện trạng xử lý chất thải chăn nuôi lợn
1.2.2.1. Thực trạng quản lý nước thải chăn nuôi
Đây là loại chất thải ít được sử dụng và khó quản lý do:
- Lượng nước thải lớn, lượng nước sử dụng cho nhu cầu uống, rửa

chuồng và tắm cho lợn là 30 - 50 lít nước/1con/ngày đêm.
- Nước thải có mùi hôi thối, khó vận chuyển đi xa để sử dụng cho các
mục đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
7
- Lượng nước thải quá lớn, không thể sử dụng hết cho diện tích đất
canh tác xung quanh.
Việc quản lý nước thải trong chăn nuôi lợn là vấn đề nan giải, nước thải
chăn nuôi lợn chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Lưu lượng nước thải khá cao do số
lượng lợn nuôi nhiều và lợn được tắm nhiều lần trong ngày, nhất là lúc trời nóng.
Theo điều tra tình hình quản lý nước thải chăn nuôi ở một số huyện
thuộc TP. HCM và một số tỉnh lân cận cho thấy nước thải dùng cho mục đích
nông nghiệp (15%). Đối với các trang trại không có đất trồng trọt thì nước
thải phần lớn chỉ xử lý sơ bộ sau đó thải ra môi trường (45%). Có khoảng
40% số trang trại sử dụng bể Biogas để xử lý nước thải (Hình1.2).

Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo
điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh
Kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi
(2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây,
Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước
thải của các cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn,
máng uống và nước tắm rửa cho lợn. Cả 10 cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra
đều có chỉ có hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas. Kết quả
điều tra của cho thấy hệ thống xử lý nước thải tại các trang trại trên là: Nước
thải  bể Biogas  hồ sinh học  thải ra môi trường, hầu hết các trang trại
chăn nuôi lợn khác cũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên.
8
Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó
khăn. Nhu cầu sử dụng chất thải chăn nuôi lợn trong nông nghiệp còn rất
thấp. Vì vậy cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải quyết vấn đề

quản lý và khắc phục sự ô nhiễm môi trường do một lượng chất thải chăn
nuôi gây ra.
1.2.2.2. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi
Theo khảo sát của Viện Công nghệ môi trường hiện nay tại các trang
trại có các phương pháp xử lý nước thải phổ biến như sau:

















Sơ đồ 1.1. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn đang áp dụng
tại các trang trại
Nước thải
Ao nuôi cá/kênh
mương
Thải ra
(1)
Nước thải, phân

Bể Biogas
(3)
Thải ra kênh mương
Tách phân
Nước thải, phân
Hồ kị khí có phủ bạt
(2)
Thải
Tách phân
Ao sinh thái
Nước thải,
phân
(5)
Ổn định kị
khí
Lọc sinh học
hiếu khí/aeroten
Hồ thực vật
thủy sinh
Thải
Nước thải, phân
Bể Biogas
(4)
Ao hồ sinh học

Thải ra kênh mương
Tách phân
9
Ở nước ta hiện có 5 loại công nghệ điển hình được các trang trại áp
dụng để xử lý nước thải chăn nuôi. Thứ nhất nước thải chăn nuôi được thải

trực tiếp ra kênh mương làm ô nhiễm môi trường xung quanh một cách
nghiêm trọng, trong số các trang trại chúng tôi khảo sát thì biện pháp thứ nhất
này chiếm 8,3% trên tổng số trang trại khảo sát (2/24 trang trại). Thứ hai,
nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý
bằng hồ kị khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường, có
khoảng 8,3% trang trại sử dụng biện pháp này (2/24 trang trại). Thứ ba, nước
thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh mương,
chiếm 50% số trang trại khảo sát (12/24 trang trại). Thứ tư, là nước thải chăn
nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý bằng hầm biogas,
sau đó được xử lý tiếp bằng ao/hồ sinh học, chiếm 25% số trang trại khảo sát
(6/24 trang trại). Thứ năm, nước thải chăn nuôi được xử lý bằng ổn định kỵ
khí, sau đó được xử lý bằng phương pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten,
cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải, chiếm 8,3% số trang trại khảo sát
(2/24 trang trại).
Theo kết quả khảo sát hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi cho thấy
phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến nhất hiện nay là sử dụng bể
biogas và thải ra kênh mương để xử lý nước thải chăn nuôi. Tuy nhiên, nước
thải ra không đạt tiêu chuẩn xả thải. Mặt khác, nguồn năng lượng thu được từ
hầm biogas hầu như chưa được sử dụng triệt để, có trang trại thải thẳng khí ra
môi trường, có trang trại sử dụng vào mục đích đun nấu và thắp sáng, còn lại
hầu như chưa sử dụng để chạy máy phát điện.
1.3. Một số phƣơng pháp xử lý chăn nuôi lợn
1.3.1. Xử lý chăn nuôi lợn bằng biogas
Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng biogas là phương pháp xử lý kỵ khí
khá đơn giản, chi phí đầu tư thấp, có thể sản xuất được nguồn năng lượng khí
10
sinh học (khí biogas) để thay thế được một phần các nguồn năng lượng khác.
Tuy nhiên, việc xử lý nước thải chăn nuôi cho đến nay chỉ phổ biến áp dụng
rộng rãi một số loại hầm biogas cỡ nhỏ phù hợp với chăn nuôi phân tán. Một
số trang trại quy mô lớn được xây dựng trong thời gian gần đây đã có sử dụng

các hầm biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn mét khối kết hợp với các
hồ sinh học để xử lý nước thải. Hoặc nước thải sau biogas được tiếp tục qua
hệ xử lý sinh học (biofiml, aeroten, UASB, hồ sinh học ).
Nước thải từ hệ thống chuồng trại được dẫn trực tiếp vào bể kín với
thời gian lưu nước trong bể khoảng 15 - 30 ngày, tận dụng hoạt động của các
vi sinh vật kỵ khí trong bể và trong lớp bùn đáy để khoáng hóa các chất hữu
cơ. Mực nước trong bể, thông thường được thiết kế chiếm 2/3 chiều cao bể,
còn 1/3 chiều cao ở phía trên bể bị khí CH
4
, CO
2
và các khí khác sinh ra do
phân hủy kỵ khí chiếm chỗ. Phía trên có đặt hệ thống thu khí để thu hồi các
khí sinh ra (khí biogas) tận dụng làm khí đốt hoặc chạy máy phát điện dưới
cùng là lớp bùn đáy tương đối ổn định. Qua hầm biogas, chất hữu cơ giảm
đáng kể, do đó sau biogas nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi
hơn. Hiệu suất khử chất hữu cơ (COD, BOD
5
…) đạt 75 - 85%. Các chất dinh
dưỡng nitơ, photpho giảm 27 - 60%.
Bùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp.
Cùng với việc có nguồn năng lượng mới để sử dụng, còn góp phần giảm thiểu
hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ môi trường.
Khí biogas là một hỗn hợp bao gồm CH
4
, CO
2
, N
2
, H

2
S và một số khí
khác. Thành phần chủ yếu là CH
4
(60 - 70%) và CO
2
(30 - 40%). Khi đốt
cháy 1m
3
hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4500 – 6000 calo/m
3

tương đương với 0,8 lít xăng hay 2,2 kW điện.
Tuy nhiên, sau quá trình xử lý bằng bể biogas các thành phần gây ô
nhiễm môi trường vẫn còn ở mức rất cao. Việc tiếp tục xử lý nước thải sau
11
biogas trước khi thải ra môi trường là rất cần thiết và cần phải xử lý đồng thời
nhiều tác nhân gây ô nhiễm, đặc biệt là chất hữu cơ, nitơ và photpho.
1.3.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí bao gồm 3 giai
đoạn:
- Oxy hóa các chất hữu cơ:
C
x
H
y
O
z
+ O
2

 
Enzyme
CO
2
+ H
2
O + H
- Tổng hợp tế bào mới:
C
x
H
y
O
z
+ O
2
+ NH
3

 
Enzyme
Tế bào vi khuẩn (C
5
H
7
O
2
N)+CO
2

+ H
2
O - H
- Phân hủy nội bào:
C
5
H
7
O
2
N + O
2

 
Enzyme
5CO
2
+ 2H
2
O + NH
3
H
1.3.2.1. Aerotank
Đây là quá trình xử lý hiếu khí lơ lửng, hệ thống xử lý bằng bùn hoạt
tính có từ lâu, được sử dụng phổ biến và hiệu quả xử lý BOD lên tới 90%. Vi
sinh vật dính bám lên các bông cặn có trong nước thải và phát triển sinh khối
tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ. Chúng thường có xu
hướng lắng xuống đáy, do đó việc khuấy trộn các dung dịch trong bể là cần
thiết. Các bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết
cho hoạt động phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng. Các bông

bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật
nguyên sinh qua đó nước thải được làm sạch.
Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng bể Aerotank có ưu điểm:
- Tiết kiệm được diện tích.
- Hiệu quả xử lý cao.
- Xử lý được lưu lượng lớn.
12
Những nhược điểm của phương pháp:
- Chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khá lớn so với các
phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồ sinh học, mương oxy hóa Do
đó tùy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hình thức xử lý phù hợp.
- Vận hành tốn năng lượng.
1.3.2.2. Lọc sinh học hiếu khí
Sử dụng hệ vi sinh vật dính bám trên các vật liệu lọc để xử lý các chất
hữu cơ trong nước thải. Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều
loại VSV có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá
thể, tạo thành màng. Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ
chất hữu cơ, cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán.
Các hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu tiên bị oxi hóa bởi vi khuẩn
hiếu khí, sau khi thấm sâu vào trong màng, nuốt hết oxi thì vi khuẩn hiếu khí
phân hủy hết. Khi hợp chất hữu cơ trong nước cạn kiệt thì vi sinh vật trong
lớp màng chuyển sang hô hấp nội bào, khả năng bám dính giảm dần, dần bị
bông ra và cuốn theo lớp vật liệu lọc.
1.3.2.3. Hồ sinh học
Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương tự như quá trình tự làm
sạch ở sông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Trong hồ có thể
nuôi trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá để tăng hiệu quả xử lý. Quần
thể động thực vật trong hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển
hóa các hợp chất hữu cơ của nước thải. Đầu tiên vi sinh vật phân hủy các chất
hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp

chúng lại giải phóng ra oxy cung cấp cho động thực vật. Cá bơi khuấy trộn
nước có tác dụng tăng sự tiếp xúc của oxy với nước, thúc đẩy sự họat động,
phân hủy của vi sinh vật Ngoài nhiệm vụ xử lý nước thải, hồ sinh học còn
có các lợi ích: nuôi trồng thủy sản và cây trồng, điều hòa lưu lượng, dự trữ
nước cho các mục đích sử dụng nước khác.
13
Hồ sinh học cho hiệu quả cao, tuy nhiên thời gian lưu lớn và tốn diện tích.
1.3.2.4. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng thuỷ sinh thực vật
Trong xử lý nước thải, thực vật thủy sinh (TVTS) có vai trò rất quan
trọng. TVTS tham gia loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ,
photpho, kim loại nặng và VSV gây bệnh. Trong quá trình xử lý nước thải thì
sự phối hợp chặt chẽ giữa thực vật thủy sinh và các sinh vật khác (động vật
phù du, tảo, vi khuẩn, vi nấm, động vật nguyên sinh, nhuyễn thể, ấu trùng,
côn trùng…) có ý nghĩa quan trọng. Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào quá
trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và tạo nguyên liệu dinh dưỡng (N, P và
các khoáng chất khác…) cho thực vật sử dụng. Đây chính là cơ chế quan
trọng để thực vật thủy sinh loại bỏ các hợp chất vô cơ N, P. Hiện nay việc sử
dụng thực vật thủy sinh trong công tác bảo vệ môi trường ngày càng được chú
ý hơn.
1.3.3. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học thiếu khí
- hiếu khí
1.3.3.1. Phương pháp SBR
SBR (Sequencing Batch Reactor): bể phản ứng theo mẻ là dạng công
trình xử lý nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính, nhưng 2 giai đoạn
sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một bể. SBR không cần sử dụng
bể lắng thứ cấp và quá trình tuần hoàn bùn, thay vào đó là quá trình xả cặn
trong bể. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ
và nitơ cao. Hệ thống SBR linh động có thể xử lý nhiều loại nước thải khác
nhau với nhiều thành phần và tải trọng. MLSS không bị thoát ra ngoài vì chảy
tràn nước do lưu lượng không đổi, quá trình lắng tĩnh giúp nồng độ TSS đầu

ra thấp. Bể điều hòa, bể lắng sơ cấp, xử lý sinh học, bể lắng thứ cấp và khử
dinh dưỡng có thể kết hợp lại thành 1, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và
khử nitrat cao. Tuy nhiên, do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có
14
nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau, công suất xử lý thấp, người công
nhân vận hành hệ thống phải có kỹ thuật cao. [3]
1.3.3.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc sinh học thiếu -
hiếu khí kết hợp
Nguyên lý của quá trình xử lý tương tự phương pháp bùn hoạt tính hiếu
khí - thiếu khí kết hợp, nhưng ở đây các quá trình nitrat hóa và khử nitrat
được thực hiện ở trong các thiết bị lọc sinh học chứa vật liệu mang vi sinh.
Ưu điểm của quá trình này là thiết bị gọn nhẹ do có thể vận hành ở tải trọng
cao (tải trọng BOD có thể lên đến 2 - 3 kg BOD/m
3
/ngày), quá trình ổn định,
vận hành đơn giản, tiêu hao ít năng lượng. Tuy nhiên chí phí đầu tư lớn cho
xây dựng và mua màng. [5]
1.3.3.3 Phương pháp mương ôxy hóa
Mương ôxy hóa là một dạng thiết bị sục khí kéo dài. Phương pháp này
có ưu điểm là có thể xử lý hiệu quả đồng thời hữu cơ và nitơ, vận hành đơn
giản, tốn ít năng lượng, tạo ra ít bùn. Tuy nhiên, phương pháp này cần diện
tích xây dựng lớn. Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến đối với quy
mô nhỏ. Do hiệu quả xử lý nitơ cao, vận hành đơn giản nên đây có thể là một
phương pháp phù hợp đối với một số trang trại chăn nuôi có diện tích lớn. [5]
1.3.3.4. Phương pháp Anamox
Ngoài quá trình hiếu khí - thiếu khí truyền thống, gần đây quá trình
Anamox (Anaerobic Ammonium Oxidation, oxy hóa amoni yếm khí), một
quá trình sinh học mới được phát hiện hơn 10 năm trước, được quan tâm
nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong xử lý nước thải giàu nitơ. Trong điều
kiện yếm khí, amoni được oxy hóa với nitrit (NO

2
-
) như là chất nhận điện tử
tạo thành khí nitơ bởi các vi sinh vật tự dưỡng Planctomycetes. Quá trình xử
lý amoni bằng phương pháp này được thực hiện thông qua hai quá trình: đầu
tiên là oxy hóa một phần amoni thành nitrit (khoảng 50% tổng amoni) bằng
15
quá trình hiếu khí truyền thống (nitrit hóa), tiếp theo là quá trình Anamox
chuyển hóa amonni cùng với nitrit trực tiếp thành khí nitơ. Quá trình này
không cần cơ chất hữu cơ, cho phép tiết kiệm trên 60% lượng oxy cần cung
cấp, đồng thời tạo ra ít bùn. Tuy nhiên, hiện nay phương pháp này cũng đang
gặp phải một số khó khăn trong ứng dụng thực tế. Đó là việc khống chế, điều
khiển quá trình nitrit hóa một phần amoni sao cho chỉ một nửa lượng amoni
được chuyển hóa thành nitrit. [5]
1.4. Giới thiệu về phương pháp lọc sinh học ngập nước thiếu khí - hiếu khí
Phương pháp lọc sinh học lần đầu tiên được áp dụng ở Mỹ năm 1891
và ở Anh năm 1893. Ngày nay phương pháp này đã được phát triển và có thể
chia thành hai loại: Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước và lọc
sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước. Đối với mỗi phương pháp
thích hợp để xử lý từng loại nước thải có đặc tính khác nhau. Phương pháp
lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước có ưu điểm là tiêu
hao năng lượng thấp, tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm như: dễ bị tắc
nghẽn, bùn dư không ổn định, hiệu suất làm sạch không cao, giá thành thiết bị
cao… vì thế phương pháp này chỉ phù hợp với một số đối tượng nước thải
nhất định như nước thải có hàm lượng BOD, SS, nitơ thấp. Đối với lọc sinh
học có lớp vật liệu ngập trong nước áp dụng cho việc xử lý nước thải có chứa
đồng thời chất hữu cơ và N, P, loại bỏ được chất rắn huyền phù. Phương pháp
lọc sinh học ngập nước cũng rất thích hợp để nitrat hóa và khử nitrat.
* Cơ chế của quá trình lọc sinh học ngập nước
Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt

động của vi sinh vật trên màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn có trong nước.
Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật hiếu khí, kị khí và thiếu khí. Các
vi khuẩn hiếu khí tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng
phát triển và gắn với giá màng là các vật liệu lọc. Chất hữu cơ nhiễm bẩn
16
trong nước thải bị oxy hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học, màng
này thường dầy khoảng từ 0,1 - 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân
hủy bởi vi sinh vật hiếu khí, sau khi thấm sâu vào màng, sẽ bị phân hủy bởi vi
sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở
màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng
giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Lọc sinh học ngập nước có thể khử
được BOD và chuyển hóa NH
4
+
thành NO
3
-
, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ
lại cặn lơ lửng, để khử được tiếp BOD, NO
3
-
, P người ta có thể đặt hai bể lọc
nối tiếp hoặc tạo ra vùng thiếu khí để xử lý được triệt để N, P.
Các quá trình nitrat hoá và khử nitrat có thể được thực hiện bằng các
quá trình sinh trưởng lơ lửng mà đại diện là quá trình bùn hoạt tính, hoặc quá
trình sinh trưởng bám dính trong đó vi sinh vật được cố định trên chất màng
(cố định hoặc lơ lửng), ví dụ quá trình lọc sinh học ngập nước.
Vi sinh vật nitrat hóa có tốc độ sinh trưởng chậm, do đó để tăng nồng độ
vi sinh vật trong thiết bị xử lý nhằm nâng cao tốc độ nitrat hóa người ta thường
áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính cho quá trình này. Các nghiên cứu ứng

dụng hiện nay trên thế giới thường tập trung vào vấn đề chế tạo và ứng dụng
các loại vật liệu mang có diện tích bề mặt riêng lớn dạng cố định cũng như
dạng lơ lửng cũng như nghiên cứu cải tiến thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả xử
lý. Loại vật liệu mang lơ lửng có một số ưu điểm so với loại cố định là bề mặt
riêng của vật liệu mang lớn, sử dụng loại này có thể khắc phục được hiện tượng
bít tắc thiết bị, trong vận hành không cần thao tác rửa ngược, tuy nhiên công
nghệ sản xuất vật liệu phức tạp, giá vật liệu hiện nay còn rất cao.
* Tổng quát:
• Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + (x+y/4 – z/2) O
2
→ x CO
2
+ y/2 H
2
O
• Tổng hợp sinh khối tế bào:
n(CxHyOz) + n NH
3
+ n(x+y/4 –z/2-5) O
2
→(C
5
H
7
NO
2
)
n
+ n(x-5) CO

2
+ n(y-4)/2 H
2
O
17
• Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phân hủy nội bào):
(C
5
H
7
NO
2
)
n
+ 5n O
2
→ 5n CO
2
+ 2n H
2
O + n NH
3
• Quá trình nitrat hóa:
2 NH
4
+
+ 3 O
2
→ 2 NO
2

-
+ 4 H
+
+ 2 H
2
O (VK Nitrosomonas)
2 NO
2
-
+ O
2
→ 2 NO
3
-
(VK Nitrobacter)
Tổng phản ứng oxy hóa amoni:
NH
4
+
+ 2 O
2
→ NO
3
-
+ 2 H
+
+2 H
2
O
• Quá trình khử nitrat:

NO
3
-

→NO
2
-
→ N
2