TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG SINH HỌC
BÀI TIỂU LUẬN
THIẾT KẾ, NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH
VÀ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG XỬ LÝ
CHẤT THẢI SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP
GVHD: PGS. TS. Dương Nguyên Khang
SVTH : Nhóm 5 – DH11SM
Tp Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2014
MỤC LỤC
2
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam được biết đến là một nước nông nghiệp và nông nghiệp đóng góp một
phần không nhỏ vào nền kinh tế của nước ta. Hiện nông nghiệp đóng góp khoảng 20%
GDP và 1/5 kim ngạch xuất khẩu của quốc gia. Đặc biệt, trong năm 2013 đã có nhiều mặt
hàng xuất khẩu đã vươn lên vị trí số 1, số 2 thế giới như cà phê, điều, lúa gạo, tiêu…
Trong đó, cà phê là điểm sáng lớn nhất khi đem về nguồn ngoại tệ khoảng 3,5 tỷ USD,
còn lúa gạo đã thiết lập kỷ lục về khối lượng xuất khẩu với mức khoảng 7,7 triệu tấn gạo.
Chúng ta hiện xếp vị trí thứ 2 về xuất khẩu gạo, sau Ấn Độ; xuất khẩu hồ tiêu của Việt
Nam đang giữ vững vị trí số 1 về sản lượng và số lượng xuất khẩu trên thế giới, có vai trò
quan trọng trong việc điều tiết lưu thông, bình ổn giá cả và thị trường. Nông nghiệp mang
lại nguồn lợi không nhỏ về kinh tế của cả nước, tuy nhiên những phụ phẩm thải ra trong
quá trình sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu, bã mía… cũng gây ảnh hưởng không
nhỏ tới môi trường, ảnh hưởng tới sự phát triển bền vững.
Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu ra những hệ thống với những quy
trình xử lí từ đơn giản tới phức tạp, từ vật lí tới sinh học để xử lí những chất thải trong
sản xuất nông nghiệp. Đó cũng chính là chủ đề của nhóm chúng em.
1.2. Mục tiêu chung
Tìm hiểu được các quy trình có trong hệ thống xử lí chất thải nông nghiệp
1.3. Mục tiêu cụ thể
- Biết được các quy trình xử lí vật lí, hóa học, sinh học, các mô hình kết hợp
- Hiểu được các thiết kế và vận hành
3
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chất thải trong nông nghiệp có nhiều dạng: rắn, lỏng hoặc khí. Tùy từng loại mà
có cách xử lí khác nhau.
2.1. Xử lí bằng phương pháp vật lí
Thông thường phương pháp vật lí được sử dụng cho các loại chất thải nông nghiệp
ở dạng lỏng và rắn.
2.1.1. Phương pháp chôn lấp
2.1.1.1. Thiết kế hệ thống
Một bãi chôn lấp phải phụ thuộc vào đặc thù loại chất thải chon lấp, đặc điểm và
điều kiện địa hình chôn lấp mà thiết kế ra được bãi chôn lấp cho phù hợp : bãi chôn lấp
ướt – khô, bãi chôn lấp nổi – chìm…..
Tuy là có nhiều bãi chôn lấp nhưng khi thiết kế bất kì bãi chôn lấp nào cũng phải
đảm bảo có 3 khu vực:
Khu chôn lấp
Hình 1. Mặt cắt ngang điển hình qua ô chôn lấp
4
Khu xử lí nước
Hình 2. Sơ đồ bố trí ống thu gom nước rác
+ Khu phụ trợ : có thể trồng cây xanh xung quanh bãi chôn lấp
5
2.1.1.2. Vận hành hệ thống
Trải những lớp rác dầy 40- 80 cm lên mặt đất, đầm nén nó (để thu nhỏ khối lượng)
và tiếp tục trải những lớp khác lên. Khi lớp rác dầy 2- 2,2 m thì phủ một lớp đất dầy 1060 cm lên trên rồi lại đầm nén. Cứ như thế với độ cao 15m. Một lớp hoàn chỉnh như vậy
gọi là ô rác. Thông thường một con đập bằng đất được làm để rác đổ xuống tì vào và để
dễ dàng đầm nén rác sau đó.Nếu bãi vận hành liên tục thì cứ sau 24 tiếng vận hành lại
cần phủ đất.
Chống thấm cho các ô chôn lấp.
- Ô chôn lấp cần được đặt ở những nơi có lớp đất đá tự nhiên đồng nhất, với hệ số
thấm ≤ 1.10-7cm/s, và có chiều dày tối thiểu 6m.Phải tạo độ dốc của đáy tối thiểu 2% để
nước rác tự chảy về các rãnh thu gom nước thải.
- Thành ô chôn lấp cũng phải có tính chống thấm như đáy của nó. Nếu thành ô chôn
lấp không đạt yêu cầu, cần phải xây thành nhân tạo, bằng vật liệu có hệ số thấm ≤ 1.107cm/s, với chiều rộng tối thiểu 1m.
2.1.1.3. Hiệu quả của hệ thống
Phương pháp này chi phí rẻ nhất, bình quân ở các khu vực Đông Nam Á là 1-2
USD/tấn, phù hợp với các nước đang phát triển. Tuy nhiên yêu cầu diện tích lớn, khó quy
hoạch địa điểm, chi phí đầu tư và quản lý cao, phải xử lí ô nhiễm về khí thải, nước rỉ rác
trong thời gian dài.
2.1.2. Phương pháp nhiệt
Các chất thải rắn trong nông nghiệp hiện nay rất nhiều. Chúng thường được vứt
hoặc đốt tràn lan, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh. Vì thế cần xây
dựng hệ thống đốt để thu lại nguồn nhiệt, nguồn năng lượng đáng kể trong nông nghiệp,
có thể phục vụ cho sinh hoạt, cung cấp điện năng…
6
2.1.2.1. Thiết kế hệ thống
Hình 3. Hệ thống xử lý bằng phuong pháp nhiệt.
2.1.2.2. Vận hành hệ thống
Công nghệ này bao gồm việc đưa chất thải chưa phân loại vào các kho chứa,
nơi chất thải được vận chuyển đến trước khi đưa vào lò đốt. Không được đốt chất thải
nếu chưa loại bỏ các vật liệu có kích thước lớn như đệm và xe đạp cũ. Để đốt chất thải
hỗn hợp, nhiệt độ phải đạt trên 8500C và quá trình đốt chất thải sẽ sinh ra CO2 và nước.
2.1.2.3. Hiệu quả của hệ thống
Trước đây, các nhà máy thiêu đốt thường được thiết kế đơn giản để đốt chất thải,
nhưng các nhà máy thiêu đốt mới nhất hiện nay đã thu hồi được nguồn năng lượng dưới
dạng hơi nước, nước nóng hoặc điện năng.
Đặc biệt là chất thải rắn đô thị có chứa nguồn năng lượng bằng nửa năng lượng
của than cấp cao. Các công nghệ đốt một khối lượng lớn chất thải đang tiếp tục được
triển khai và nâng cấp, đặc biệt đã chú ý đến hiệu suất bảo vệ môi trường.
7
Tuy nhiên giá thành để xây dựng hệ thống này rất tốn kém và cần nhiều đầu tư.
2.1.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá
Các phương pháp điện hoá cho phép thu hồi từ nước thải các sản phẩm có giá trị
bằng các sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản và có thể tự động hoá. Không cần sử dụng
tác nhân hoá học, nhược điểm là tiêu hao điện năng.
Gồm các phương pháp chính sau :
- Oxy hoá của anot và khử của catot.
- Đông tụ điện
- Tuyển nổi bằng điện.
2.2. Xử lí bằng phương pháp hóa học
Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lí
diễn ra giữa các chất bẩn với hóa chất cho thêm vào. Các phương pháp hóa học là oxy
hóa, trung hòa, đông tụ và keo tụ. Thông thường các quá trình keo tụ thường đi kèm với
quá trình trung hòa hoặc các hiện tượng vật lí khác. Những phản ứng xảy ra là thường
phản ứng trung hòa, phản ứng oxi hóa- khử, phản ứng tạo chất kết tủa hoặc phản ứng
phân hủy các chất độc hại.
2.2.1. Phương pháp keo tụ tạo bông
2.2.1.1. Keo tụ và các hóa chất dung trong keo tụ
Trong nước tồn tại nhiều chất lơ lửng khác nhau. Các chất này có thể dùng
phương pháp xử lý khác nhau tùy vào kích thước của chúng:
- d > 10-4 mm : dùng phương pháp lắng lọc.
- d < 10-4 mm : phải kết hợp phương pháp cơ học cùng phương pháp hoá học. Tức là
cho vào các chất tạo khả năng dính kết kéo các hạt lơ lửng lắng theo => gọi là phương
pháp keo tụ trong xử lý nước. Để thực hiện quá trình này người ta cho vàonước các chất
phản ứng thích hợp : Al2(SO4)3; FeSO4; hoặc FeCl3.
thủy phân
Phèn nhôm: cho vào nước chúng phân ly thành Al3+
Al3+ + 3H2O == Al(OH)3 + 3H+
Độ pH của nước ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thuỷ phân:
8
Al(OH)3
pH > 4.5 : không xảy ra quá trình thuỷ phân.
pH = 5.5 – 7.5 : đạt tốt nhất.
pH > 7.5 : hiệu quả keo tụ không tốt.
Nhiệt độ của nước thích hợp vào khoảng 20-40oC, tốt nhất 35-40oC.
•
•
•
Ngoài ra các yếu tố ảnh hưởng khác như : thành phần Ion, chất hữu cơ, liều lượng…
Phèn sắt gồm sắt (II) và sắt (III):
Phèn Fe (II) : khi cho phèn sắt (II) vào nước thì Fe(II) sẽ bị thuỷ phân thành
Fe(OH)2.
- Fe2+ + 2H2O == Fe(OH)2 + 2H+
- Trong nước có O2 tạo thành Fe(OH)3
- pH thích hợp là 8 – 9 => có kết hợp với vôi thì keo tụ tốt hơn.
-Phèn FeSO4 kỹ thuật chứa 47-53% FeSO4.
Phèn Fe (III):
- Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+
- Phản ứng xảy ra khi pH > 3.5
- Hình thành lắng nhanh khi pH =5.5 - 6.5
2.2.1.2. Thiết kế hệ thống
Các công trình chuẩn bị dung dịch phèn (định liều lượng phèn) bao gồm:
- Thùng hoà trộn, thùng tiêu thụ, thiết bị định liều lượng chất phản ứng.
- Các công trình trộn đều dung dịch chất phản ứng với nguồn: ống trộn, bể trộn.
- Các công trình tạo điều kiện cho phản ứng tạo bông lắng xảy ra hoàn toàn: ngăn phản
ứng bể phản ứng.
Một số sơ đồ bố trí các công trình chuẩn bị phèn.
9
Trong đó:
Bể hoà trộn phèn ( thùng hòa trộn).
Nhiệm vụ lắng cặn, hoà tan phèn cục.
Nồng độ dung dịch phèn trong bể là 10-17%
Dùng khí nén hoặc cánh khuấy hoà tan phèn
•
10
Bể tiêu thụ
Nhiệm vụ pha loãng
Nồng độ phèn 4 –10%.
Dùng không khí nén hoặc máy khuấy, cường độ sục 3 –5 l/s.m 2
Đáy có độ nghiêng i = 0.005 về phía ống xã.
Đường kính ống xả có d > 100 mm.
• Thiết bị định lượng phèn:
Nhiệm vụ điều chỉnh tự động lượng phèn cần thiết đưa vào nước cần xử lý.
Có thể phân loại:
•
− Theo chức năng:
Định liều lượng không đổi: dùng công suất không đổi.
Định liều lượng theo sự thay đổi tính chất nước xử lý.
− Theo chế độ chảy của phèn:
Định liều lượng tự chảy.
Định liều lượng có áp: phèn vào ống nước có áp lực
- Các loại thiết bị
11
2.2.1.3. Vận hành hệ thống
Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích
thước lớn hơn 10-2 mm, còn có hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể
làm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các
tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng,
kế tiếp là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hòa điện tích các hạt được gọi là quá
trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ.
Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn
gốc silic và các hợp chất hữu cơ mag điện tích âm, các hạt hidroxit sắt và
hidroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt
mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các tổ hợp các phần tử, nguyên tử hay
các ion tự do. Các tổ hợp này chính là các hạt bông keo.
2.2.1.4. Hiệu quả của hệ thống
Phương pháp này có khả năng ứng dụng cao do dễ làm, rẻ tiền và hệ thống rất đơn
giản.
12
2.2.2. Phương pháp trung hòa
2.2.2.1. Trung hoà bằng cách cho thêm hoá chất vào nước thải
Phương pháp này dùng để trung hoà nước thải có chứa axit. Người ta phân biệt ba
loại nước thải có chứa axit như sau :
- Nước thải chứa axit yếu (H2CO3, CH3COOH)
- Nước thải chứa axit mạnh (HCl, HNO3), các muối canxi của chúng dễ tan trong
nước.
- Nước thải chứa axit mạnh (H 2SO4, H2CO3) các muối canxi của chúng khó tan trong
nước.
2.2.2.2. Trung hoà nước thải chứa axit bằng cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hoà
Đối với nước thải chứa HCl, HNO 3 và cả nước thải H2SO4 với hàm lượng dưới 5
mg/l và không chứa muối kim loại nặng có thể dùng phương pháp lọc qua lớp vật liệu lọc
là đá vôi magiezit, đá hoa cươn, đôlômit...
13
2.2.3. Phương pháp tuyển nổi
2.2.3.1. Thiết kế
2.2.3.1.1. Tuyển nổi phân tán không khí bằng thiết bị cơ học
Các trạm tuyển nổi vói phân tán không khí bằng thiết bị cơ học (tuabin hướng
trục) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng cũng như trong lĩnh vực xử lý
nước thải. Các thiết bị kiểu này cho phép tạo bọt khí khá nhỏ.
2.2.3.1.2. Tuyển nổi phân tán không khí bằng máy bơm khí nén (qua các vòi phun,
qua các tấm xốp)
Tuyển nổi phân tán không khí qua các vòi phun : Thường được sử dụng để xử lý
nước thải chứa các tạp chất tan dễ ăn mòn vật liệu chế tạo các thiết bị cơ giới
(bơm,tuabin) với các chi tiết chuyển động.
Tuyển nổi phân tán không khí qua tấm xốp, chụp xốp. Ưu điểm của phương pháp
này so với các biện pháp tuyển nổi khác là cấu tạo các ngăn tuyển nổi giống như cấu tạo
của aeroten, ít tốn điện năng, không cần thiết bị cơ giới phức tạp, rất có lợi khi xử lý nước
thải có tính xâm thực cao. Biện pháp tuyển nổi này có khuyết điểm là các lỗ của các tấm
xốp, chụp xốp chống bị tắt làm tăng tổn thất áp lực, khó chọn vật liệu xốp đáp ứng yêu
cầu về kích thước các bọt khí.
14
2.2.3.1.3. Tuyển nổi với tách không khí từ nước (tuyển nổi chân không ; tuyển nổi
không áp; tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước)
Biện pháp này được sử dụng rộng rãi với nước thải chứa chất bẩn kích thướt nhỏ
vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ. Thực chất của biện pháp này là tạo ra một dung dịch
(nước thải) bão hoà không khí. Sau đó không khí tự tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọt
khí cực nhỏ. Khí các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn.
Tuyển nổi với tách không khí từ nước phân biệt thành : tuyển nổi chân không,
tuyển nổi không áp, tuyển nồi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí - nước.
2.2.3.1.4. Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học và hoá học
Tuyển nổi điện
Khi dòng điện một chiều đi qua nước thải, ở một trong các điện cực (catot)sẽ tạo
ra khí hydro. Kết quả nước thải được bão hoà bởi các bọt khí và khi nổi lên kéo theo các
chất bẩn không tan tạo thành váng bọt bề mặt. Ngoài ra nếu trong nước thải chứa các chất
bẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ làm thay đổi thành phần hoá
học và tính chất của nước, trạng thái các chất không tan do có các quá trình điện ly, phân
cực, điện chuyển và oxy hoá khử xãy ra.
Cường độ của các quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố :
- Thành phần hoá học nước thải
- Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan)
- Các thông số của dòng điện : điện thế, cường độ, điện trở suất.
Tuyển nổi sinh học và hoá học
Dùng để cô đặc từ bể lắng dợt 1 . Cặn từ bể lắng đợt 1 được tập trung vào một bể
đặc biệt vào được đun nóng tới nhiệt độ 35 – 55 oC trong vài ngày. Do sinh vật phát triển
làm lên men chất bẩn tạo bọt khí nổi lên, kéo theo cặn cùng nổi lên bề mặt, sau đó gạt vớt
lớp bọt. Kết quả cặn giảm được độ ẩm tới 80 %.
2.2.4. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp này được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hoà tan vào nước mà
phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng
rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi
vị và màu khó chịu.
15
Các chất hấp thụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoặc silicagel, keo nhôm,
một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ mạ sắt,… Trong số này, than
hoạt tính được dùng phổ biến nhất. Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị
than hấp thụ. Lượng chất hấp thụ này tuỳ thuộc vào khả năng hấp thụ của từng chất và
hàm lượng chất bẩn trong nước thải. Các chất hữu cơ có thể bị hấp thụ: phenol,
allcyllbenzen, sunfonicacid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm.
Sử dụng phương pháp hấp thụ có thể hấp thụ đến 58 – 95% các chất hữu cơ và
màu.Ngoài ra, để loại kim loại năng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta còn dùng
than bùn để hấp thụ và nuôi bèo tẩy trên mặt hồ.
2.2.4.1. Thiết kế hệ thống
Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ : hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ
trong điều kiện động.
Hấp phụ trong điều kiện tĩnhlà không cho sự chuyển dịch tương đối của phân tử
nước so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau.
Hấp phụ trong điều kiện động là sự chuyển động tương đối của phân tử nước so
với phân tử chất hấp phụ. Hấp phụ trong điều kiện động là một quá trình diễn ra khi cho
nước thải lọc qua lớp vật liệu lọc hấp phụ.Thiết bị để thực hiện quá trình đó gọi là thùng
lọc hấp phụ hay còn gọi là tháp hấp phụ.
16
2.2.4.2. Vận hành hệ thống
Hấp phụ chất bẩn hoà tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó
từ nước vào bề mặt chất hấp phụ dưới tác dụng của trường lực bề mặt. Trường lực bề mặt
gồm có hai dạng :
Hyđrat hoá các phân tử chất ta, tức là tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất rắn hoà tan
với những phân tử nước.
• Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử trên bề mặt chất
rắn.
•
Khi xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ thì đầu tiên sẽ loại được các phân
tử của các chất không phân ly thành ion rồi sau đó mới loại được các chất phân ly.Khả
năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp
quá trình hấp phụ xãy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn ra quá trình khứ hấp
phụ.Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phụ hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi
cần thiết.
Những chất hấp phụ có thể là: than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng
trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và các
dung dịch hấp phụ lỏng. Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn
hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ.
2.3. Xử lí bằng phương pháp sinh học
Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, ngành công nghệ sinh học có vai trò rất quan
trọng. Nhiều quy trình công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên
cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật.
17
Trong lĩnh vực này, vi sinh vật môi trường đang là phương pháp tiếp cận nghiên
cứu tốt nhất của thế giới, tập trung vào việc phân lập vi sinh vật từ tự nhiên hay tạo ra các
chủng giống vi sinh vật mới, có khả năng nuôi dưỡng, tạo thành các chế phẩm sinh học
nhằm giải quyết triệt để vấn đề chất ô nhiễm trong nước thải, rác thải mà công nghệ sinh
học trước đây chưa làm được như kỹ thuật sinh học kỵ khí, hiếu khí.
2.3.1. Hệ thống xử lý bằng phương pháp hiếu khí (Aerobic methods)
2.3.1.1. Thiết kế hệ thống
2.3.1.2. Vận hành hệ thống
Tác nhân tham gia vào hệ thống xử lý này bao gồm các vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm
và một số vi sinh bậc thấp. Các dụng cụ thường là bể thông khí sinh học (Aeroten) hoặc
các đĩa lọc sinh học.
Quá trình xử lý diễn ra như sau :
Bùn hoạt tính (vi sinh vật ở trạng thái huyền phù) có trong nước thải từ các đầm nuôi tôm
được đưa vào hệ thống xử lý.
• Tiến hành sục khí làm cho nước được bão hòa ôxy và bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
Có thể áp dụng các thiết bị sục khí như :
Sục khí bằng sục đầu khuếch tán
Sục khí và chất lỏng bằng khuấy cơ học
Sục khí bằng kết hợp giữa khuấy nước bằng cánh quạt tuabin và hệ thống khuếch tán.
• Ðĩa lọc sinh học: gồm một loạt các đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảng
nhỏ. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong hồ/bể chứa nước thải, phần còn lại tiếp xúc
với không khí. Các vi khuẩn bám trên đĩa lọc phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước
thải.
•
18
2.3.1.3. Hiệu quả của hệ thống
Ưu điểm của hệ thống là thời gian xử lý diễn ra nhanh hơn, các chất ô nhiễm được
phân hủy triệt để, có thể xử lý được một khối lượng lớn nước thải với nồng độ chất ô
nhiễm cao, không cần sử dụng nhiều diện tích đất, kiểm soát vấn đề mùi một cách dễ
dàng. Tuy nhiên, chi phí xây dựng, lắp đặt thiết bị và vận hành cao.
2.3.2. Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí (Anaerobic methods) hay còn gọi là
bể metan
2.3.2.1. Thiết kế hệ thống
Hình.Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí
2.3.2.2. Vận hành hệ thống
Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí cũng như vận hành bể hiếu khí nhưng sử
dụng các vi sinh vật kị khí và không cung cấp oxi.
2.3.2.3. Hiệu quả của hệ thống
Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí (Anaerobic methods)có thể giải phóng
nitơ, giảm gây ô nhiễm NO3-(nitơrat) cho nước mặt và nước ngầm.
2.3.4. Xử lí bằng thực vật thủy sinh
Xử lý nước thải nông nghiệp bằng thủy sinh thực vật không phải là một phương
pháp mới, chúng cho phép xử lí nước thải một cách hiệu quả, không ảnh hưởng tới môi
trường với chi phí đầu tư thấp và quy trình quản lý, vận hành đơn giản rất thích hợp với
19
quy mô sản xuất nông nghiệp vừa và nhỏ ở nước ta. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt
nhất, cần kết hợp thủy sinh thực vật với các phương pháp xử lý vật lý, hiếu khí hay kị
khí. Một số hệ thống đang được sử dụng hiện nay là:
2.3.4.1. Ao nuôi tảo
Tảo có tốc độ sinh trưởng nhanh, thích nghi tốt với các thay đổi của môi trường.
Ngoài ra, tảo còn có khả năng tiêu diệt mầm bệnh có trong nước thải do các yếu tố:
•
•
•
Sự thay đổi pH trong ngày của ao tảo do ảnh hưởng của quá trình quang hợp.
Các độc tố tiết ra từ tế bào tảo.
Sự tiếp xúc của mầm bệnh với bức xạ mặt trời (UV).
Bên cạnh chức năng xử lý, tảo còn có giá trị dinh dưỡng rất cao. Do đó, ta có thể
kết hợp thu hoạch sinh khối tảo nhằm loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời tăng
khả năng kinh tế cho mô hình.
Thiết kế
Để tối ưu hóa mô hình ao nuôi tảo, ta cần chú ý các yếu tố cần thiết sau:
•
Độ sâu của ao tảo: độ sâu của ao tảo được lựa chọn trên cơ sở tối ưu hóa khả năng của
nguồn sáng trong quá trình tổng hợp của tảo. Theo các cơ sở lý thuyết thì độ sâu tối đa
của ao tảo khoảng 4,5-5 inches (12,5cm). Nhưng những thí nghiệm trên mô hình cho thấy
20
độ sâu tối ưu nằm trong khoảng 8-10 inches (20-25cm). Tuy nhiên trong thực tế sản xuất,
độ sâu của ao tảo nên lớn hơn 20cm (và nằm trong khoảng 40-50 cm) để tạo thời gian lưu
tồn chất thải trong ao tảo thích hợp và trừ hao thể tích mất đi do cặn lắng.
• Thời gian lưu tồn của nước thải trong ao (HRT): thời gian lưu tồn của nước thải tối ưu là
thời gian cần thiết để các chất dinh dưỡng trong nước thải chuyển đổi thành chất dinh
dưỡng trong tế bào tảo. Thường thì người ta chọn thời gian lưu tồn của nước thải trong
các ao lớn hơn 1,8 ngày và nhỏ hơn 8 ngày.
• Lượng BOD nạp cho ao tảo: lượng BOD nạp cho ao tảo ảnh hưởng đến năng suất tảo vì
nếu lượng BOD nạp quá cao môi trường trong ao tảo sẽ trở nên yếm khí ảnh hưởng đến
quá trình cộng sinh của tảo và vi khuẩn. Một số thí nghiệm ở Thái Lan cho thấy trong
điều kiện nhiệt đới độ sâu của ao tảo là 0,35 m, HRT là 1,5 ngày và lượng BOD nạp là
336 kg/(ha/ngày) là tối ưu cho các ao tảo và năng suất tảo đạt được là 390 kg /(ha/ngày).
• Khuấy trộn và hoàn lưu: quá trình khuấy trộn trong các ao tảo rất cần thiết nhằm ngăn
không cho các tế bào tảo lắng xuống đáy và tạo điều kiện cho các dinh dưỡng tiếp xúc
với tảo thúc đẩy quá trình quang hợp. Trong các ao tảo lớn khuấy trộn còn ngăn được quá
trình phân tầng nhiệt độ trong ao tảo và yếm khí ở đáy ao tảo. Nhưng việc khuấy trộn
cũng tạo nên bất lợi vì nó làm cho các cặn lắng nổi lên và ngăn cản quá trình khuếch tán
ánh sáng vào ao tảo. Moraine và các cộng sự viên (1979) cho rằng tốc độ dòng chảy
trong ao tảo chỉ nên ở khoảng 5 cm/s. Hoàn lưu giúp cho ao tảo giữ lại được các tế bào vi
khuẩn và tảo còn hoạt động; giúp cho quá trình thông thoáng khí, thúc đẩy nhanh các
phản ứng trong ao tảo.
2.3.4.2. Bãi lọc trồng cây
Sử dụng các loài thực vật thủy sinh lưu niên, thân thảo xốp, rễ chùm, nổi trên mặt
hoặc ngập hẳn trong nước, phổ biến nhất là cỏ nến, sậy, cói, bèo, lục bình... Thực vật
thủy sinh được chia thành:
Thủy thực vật sống chìm: loại thủy thực vật này phát triển dưới mặt nước và chỉ phát
triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng. Chúng gây nên các tác hại như làm tăng độ
đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước. Do đó các loài
thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải.
• Thủy thực vật sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà lơ lửng trên
mặt nước, thân và lá của nó phát triển trên mặt nước. Nó trôi nổi trên mặt nước theo gió
và dòng nước. Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất
thải.
• Thủy thực vật sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân và lá phát
triển trên mặt nước. Loại này thường sống ở những nơi có chế độ thủy triều ổn định.
•
21
Bãi lọc trồng cây là những vùng đất có mức nước cao hơn hoặc bằng với mặt đất
trong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hòa của đất và sự phát triển của các vi
sinh vật và thực vật sống trong môi trường đó.
Các hệ thống bãi lọc khác nhau bởi dạng dòng chảy, môi trường và các loại thực
vật trồng trong bãi lọc…Có thể phân loại bãi lọc thành: bãi lọc trồng cây ngập nước và
bãi lọc trồng cây ngầm.
22
Hình.Mô hình bãi lọc trồng cây
•
Bãi lọc trồng cây ngập nước
Dưới đáy bãi lọc là lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc cũng có thể thay bằng
lớp vải nhựa chống thấm. Tiếp trên là đất hoặc vật liệu lọc phù hợp cho sự phát triển của
thực vật. Hình dạng bãi lọc thường là kênh dài và hẹp, chiều sâu lớp nước nhỏ, vận tốc
dòng chảy chậm và thân trồng nhô lên khỏi bãi lọc nhằm tạo chế độ thủy lực kiểu dòng
chảy đẩy. Đối với bãi lọc ngập nước, dòng nước thải chảy trên bề mặt vật liệu lọc.
•
Bãi lọc trồng cây ngầm
Hình.Mô hình bãi lọc trồng cây ngầm
23
Cấu tạo tương tự như bãi lọc ngập
nước nhưng dòng nước thải chảy ngầm trong
lớp lọc của bãi lọc. Kiểu dòng chảy của nước
thải có thể là nằm ngang hay thẳng đứng.
Mặc dù kiểu dòng chảy thẳng đứng mang
nhiều ưu thế so với dòng chảy ngang như:
chế độ oxy tốt hơn, hiệu suất phân hủy sinh
học chất hữu cơ cao hơn, xử lí được chất
dinh dưỡng Nito, loại bỏ vi sinh, ít tốn diện
tích… nhưng loại này cần có chênh lệch
gradient dòng chảy, do vậy, cần lựa chọn
điều kiện địa hình thích hợp. Lớp lọc là nơi
thực vật phát triển trên đó, thường gồm đất,
cát, sỏi và đá theo thứ tự từ trên xuống nhằm
tạo độ xốp tốt hơn. Nước thải chảy qua các
vùng lọc, sẽ được làm sạch nhờ tiếp xúc với
bề mặt của chất liệu lọc, rễ thực vật. Vùng ngầm thường thiếu oxy, nhưng thực vật có thể
vận chuyển lượng oxy dư thừa tới phần rễ, bằng cách đó tạo ra những tiểu vùng vi sinh
vật hiếu khí ngay cạnh các rễ và thực vật thân rễ. Còn có một lớp ôxy mỏng trong lớp đất
gần lớp tiếp xúc với không khí.
Mô hình dòng chảy nằm ngang (a) và dòng chảy thẳng đứng (b)
2.3.4.3. Hiệu quả
Nhờ quá trình sinh trưởng của hệ thực vật, vi sinh vật và các quá trình vật lý như:
lắng, lọc, bốc hơi... mà các chất ô nhiễm trong nước thải được xử lý với hiệu quả cao. Hệ
thống bãi lọc trồng cây cho phép đạt hiệu suất loại bỏ BOD tới 95% và nitrat hóa đạt
90%. Hệ thống này còn có khả năng lưu giữ tốt một số kim loại nặng trong giới hạn
không gây độc cho hệ thực vật, vi sinh vật. Bãi lọc trồng cây có khả năng khử vi trùng
thông qua các quá trình tiêu hủy tự nhiên, bức xạ tử ngoại, thức ăn của các loại động vật
trong hệ thống... Các virus, mầm bệnh được khử trong công trình bãi lọc bằng các quá
trình lắng lọc và tiêu hủy tự nhiên trong môi trường không thuận lợi.
Trồng cây trên các bãi lọc với các tác dụng là: Giảm vận tốc dòng chảy, tăng khả
năng lắng cặn trên bãi; Giảm xói mòn và sục cặn từ đáy; Ngăn gió và tạo bóng, giảm sự
phát triển của thực vật nổi; Góp phần biến đổi thế oxy hóa khử trong bãi lọc và là nơi vi
khuẩn sống bám ở gần mặt nước, tạo điều kiện phân hủy các chất hữu cơ, loại bỏ N, P và
diệt vi trùng gây bệnh.
24
2.3.5. Năng lượng tái tạo
2.3.5.1. Biogas
2.3.5.1.1. Thiết kế hệ thống
Biogas là một loại khí được sinh ra khi phân động vật và các chất hữu cơ lên men
trong điều kiện không có không khí (quá trình hiếm khí). Vi sinh vật phân huỷ các chất
tổng hợp và khí được sinh ra gồm metan (CH 4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) và hydro
sulphate (H2S). Trong đó, các khí CH4 và CO2 có thể cháy được.
Hầm biogas là một hệ thống tự động, khi khí được sinh ra trong hầm phân hủy,
lượng khí này sẽ đẩy cặn bã vào bể áp lực và ống nạp nhiên liệu. Khi mở van thì chất cặn
bã trong bể áp lực và ống nạp nhiên liệu sẽ đẩy khí ra để sử dụng.
Do đó, muốn xây dựng hầm biogas đòi hỏi gia đình phải có kiến thức về hệ thống
hầm biogas trước khi bắt đầu xây dựng hầm. Đồng thời, phải có chuồng trại chăn nuôi cố
định, có đủ khả năng kinh tế, nguyên vật liệu, thời gian và nhân công để chăm sóc và bảo
dưỡng hầm trong một thời gian dài.
25