nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ kỵ khí kết hợp hiếu khí sử dụng vật liệu đệm pumice

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP
HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2010 - 73

S KC 0 0 2 9 3 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ
SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE
MÃ SÔ: T2010-73

THAM GIA ĐỀ TÀI: Hoàng Thị Tuyết Nhung
Trần Quang Khải
Phạm Thị Thùy An

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ
SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE

MÃ SÔ: T2010-73

THAM GIA ĐỀ TÀI: Hoàng Thị Tuyết Nhung
Trần Quang Khải
Phạm Thị Thùy An

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


TÓM TẮT

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng bể kỵ khí bám dính ngược
dòng được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu do những ưu điểm như khả
năng xử lý đạt hiệu quả cao, chịu được tải trọng cao, ổn định và có khả năng chịu
được mức độ chất độc hại cao hơn. Tuy nhiên, vật liệu bám dính chính là vấn đề cần
nghiên cứu, rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra các loại vật liệu bám dính khác nhau
dựa trên đặc tính bền, nhẹ, nhiều lỗ rỗng xốp, bề mặt nhám để vi sinh vật cót thể dễ
dàng bám tạo màng. Do vậy, đề tài nghiên cứu việc sử dụng vật liệu đá pumice
trong bể kỵ khí ngược dòng để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải hàm lượng hữu cơ
cao.
Mô hình vận hành xử lý nước thải chăn nuôi heo COD 2000 - 4000 mg/l trong
mô hình pilot 10 lít ở các tải trọng 1.5 ; 2 ; 3, 4 và 5 kgCOD/m3/ngày đạt kết trên
90% ở tải trọng 1,5 và 2 kgCOD/m3/ngày. Đồng thời đạt hiệu quả trên 87% ở tải
trọng 3; 82% ở tải trọng 4 và tải trọng 5 hiệu quả khử COD 80%. Ngoài ta, hiệu quả
khử SS và VSS rất cao, với SS đạt trên 90% và VSS đạt trên 70-80%. N-NH4 tăng
trong mô hình đến 50%.
Ngoài ra đề tài còn đánh giá khả năng xả thải của nước thải chăn nuôi heo
bằng việc kết hợp mô hình kỵ khí có vật liệu bám dính pumice và mô hình hiếu khí
cho thấy các chỉ tiêu COD, SS đầu đạt mức xả thải, chỉ riêng chỉ tiêu Nito hiệu quả
chưa tốt.

MỤC LỤC
Tóm tắt
Mục lục
Danh mục các hình
Danh mục các bảng
Danh mục các thuật ngữ viết tắt
CHƯƠNG 1 : PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1
1.2. Nội dung và ý nghĩa của đề tài .................................................................... 1
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 1
1.2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 2
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 2
1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 3
1.2.5. Ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài ............................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết bể kỵ khí có giá thể ...................................................................... 6
2.2. Lý thuyết về vật liệu đệm pumice .............................................................. 11
2.2.1. Khái niệm pumice .............................................................................. 11
2.2.2. Một số ứng dụng cơ bản .................................................................... 12
2.3. Một số nghiên cứu điển hình trong và ngoài nước...................................... 13
2.4. Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo tại Tp. Hồ Chí Minh ...................... 14
2.4.1. Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh ....... 14
2.4.2. Thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi heo ................................. 14
2.4.3. Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo .......................... 16
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm .......................................................... 17

3.1.1. Cách tiếp cận .................................................................................... 17
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 17
3.1.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu................................................... 17
3.2. Mô tả mô hình và nguyên vật liệu sử dụng................................................. 18
3.2.1. Nguyên vật liệu sử dụng .................................................................... 18
3.2.2. Tiến trình thực hiện ........................................................................... 19
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN
4.1. Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 22
4.1.1. Giai đoạn thích nghi .......................................................................... 22
4.1.2. Giai đoạn vận hành mô hình.............................................................. 25
4.1.3. Giai đoạn kết hợp hiếu khí.....................................................................
4.2. Nhận xét .................................................................................................... 32
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận ..................................................................................................... 33
5.2. Kiến nghị ................................................................................................... 33
Tài liệu tham khảo


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

2.1

Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ

6

2.2

Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan

9

2.3

Đá pumice

12

3.1

Cấu trúc đá pumice

18

3.2

Mô hình bể kỵ khí ngược dòng có vật liệu bám dính pumice

20

4.1

Đồ thị biểu diễn COD trong giai đoạn khởi động

22

4.2

Đồ thị biểu diễn pH trong giai đoạn khởi động

23

4.3

Đồ thị biểu diễn N-NH4 trong giai đoạn khởi động

24

4.4

Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian

25

4.5

Đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo thời gian

26

4.6

Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian

27

4.7

Đồ thị biểu diễn VSS theo tải trọng

28

4.8

Đồ thị biểu diễn % khử COD và % khử VSS

29

4.9

Đồ thị biểu diễn N-NH4 biến thiên theo thời gian

29

4.10

Mối quan hệ giữa pH và % tăng N-NH4

30

4.11

Đồ thị biểu diễn độ kiềm và pH đầu vào, đầu ra

31

4.12

Biểu diễn pH vào ra 2 mô hình

33

4.13

Biểu diễn SS vào ra 2 mô hình

34

4.14

Biểu diễn COD vào ra 2 mô hình

35

4.15

Biểu diễn NH3 vào ra 2 mô hình

36

4.16

Nitrate

36

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Thành phần đặc điểm của đá pumice

12

2.2

Thành phần tính chất hóa lý của nước thải chăn nuôi heo

16

3.1

Các phương pháp phân tích và thiết bị phân tích

17

3.2

Tính chất nước thải chăn nuôi heo

19

4.1

Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo

26


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Anaerobic

Quá trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí

Anammox

Oxi hóa ammonia trong điều kiện kị khí

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Nhu cầu oxy hóa học

F/M

Tỷ lệ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ/lượng vi sinh vật, vi khuẩn

HRT

Thời gian lưu nước thủy lực

MLSS

Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng

MLVSS

Tổng chất rắn bay hơi trong hệ bùn lỏng

N-NH 4

Nitơ ammonium

SRT

Thời gian lưu bùn

SS

Chất rắn lơ lửng

SVI

Chỉ số thể tích bùn

TDS

Tổng chất rắn hòa tan

TKN

Tổng nitơ Kjedahl

TS

Tổng chất rắn hòa tan

UASB

Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dòng chảy ngược

VFA

Acid béo bay hơi


1

CHƯƠNG 1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, tình hình chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí
Minh cũng như các tỉnh thành phát triển mạnh mẽ cả hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ
từng hộ gia đình cũng như những cơ sở chăn nuôi quy mô lớn. Song song đó, chất

thải từ quá trình chăn nuôi heo là một đáng ngại đối với nhà quản lý môi trường.
Nước thải chăn nuôi heo có tính chất ô nhiễm cao, nồng độ COD, BOD, Nito và
Photpho đều cao khiến cho nước thải chăn nuôi heo phải sử dụng công nghệ xử lý
tương đối phức tạp.
Xử lý kỵ khí qua lớp vật liệu đệm là một trong những phương pháp xử lý
nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao đang được chú ý nhiều trong những năm
gần đây. Do sự hình thành màng vi sinh trên lớp vật liệu đệm giúp cho nước thải
tiếp xúc với vi sinh vật dễ dàng hơn, khả năng amoni hóa cao hơn so với một số bể
kỵ khí đơn giản khác. Nhiều đề tài nghiên cứu về bể kỵ khí có vật liệu đệm khác
nhau như xơ dừa, vật liệu nhựa, sứ, … Qua tìm hiểu ưu điểm của đá pumice là độ
xốp rỗng cao. Đề tài này sử dụng làm giá thể để màng vi sinh vật kỵ khí bám vào
các lỗ xốp rỗng của pumice.
Nghiên cứu sử dụng đá pumice làm vật liệu đệm trong bể kỵ khí ngược dòng
trong xử lý nước thải chăn nuôi heo là vấn đề mới và mong muốn đạt được kết quả
tốt để có thể ứng dụng trong thực tế bảo vệ môi trường.
1.2. NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
3.1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuôi heo trong mô hình bể
kỵ khí sử dụng vật liệu đệm pumice.
Nghiên cứu khả năng đạt QCVN khi kết hợp mô hình kỵ khí với hiếu khí

Luận văn thạc sĩ


2

1.2.2. Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu vật liệu đệm pumice.

-

Khảo sát tính chất nước thải chăn nuôi heo.

-

Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý dựa trên một số chỉ tiêu như pH, COD,
MLSS, MLVSS, NH3, độ kiềm.

-

Tổng hợp số liệu, đánh giá khả năng xử lý khi ứng dụng vật liệu đệm
pumice

-

Đánh giá khả năng xả thải khi kết hợp công nghệ kỵ khí có pumice với
hiếu khí

1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
1.2.3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu
kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công
trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,…
có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ
các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi
trước,…
1.2.3.2. Phương pháp phân tích hệ thống
Phương pháp phân tích hệ thống là xem xét đối tượng trong một không

gian kín và phân tích các đầu vào, đầu ra, yếu tố ảnh hưởng và động thái của quá
trình. Trong đề tài này, phân tích hệ thống là mô hình bể UASB với sự đánh giá các
thông số đầu vào và đầu ra.
1.2.3.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Quá trình thực hiện nghiên cứu luôn cần phải có phương pháp lấy mẫu và
phân tích mẫu phù hợp, đúng theo tiêu chuẩn của từng chỉ tiêu đánh giá đã đề ra.
1.2.3.4. Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Luận văn thạc sĩ


3

Phương pháp này được ứng dụng nhằm thu được kết quả có độ tin cậy
cao, đúng, đủ và phù hợp với mục đích nghiên cứu.
1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.4.1. Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài nghiên cứu này, với quy mô phòng thí nghiệm và môi trường
miền Đông Nam bộ nên đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau:
- Đề tài sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi heo từ hộ nuôi heo khu vực Quận
9, thành phố Hồ Chí Minh.
- Mô hình kỵ khí được thiết kế theo tỷ lệ thích hợp và vận hành hợp lý trong
thời gian nghiên cứu.
1.2.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đây là một nghiên cứu thuộc phạm vi phòng thí nghiệm. Do vậy, đề tài chỉ
nghiên cứu những chỉ tiêu cơ bản cần lưu ý trong quá trình xử lý yếm khí, do đó,
khi có điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tiễn cần nghiên cứu sâu thêm những chỉ
tiêu khác.
Nghiên cứu bước đầu chỉ ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi heo điển
hình của khu vực miền nam Việt Nam nên cần phải có những nghiên cứu sâu hơn

về một số loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao hơn để xét hết tính hiệu quả vật
liệu đệm pumice.
3.1.3. Ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài
1.2.5.1.

Ý nghĩa khoa học

Công nghệ sử dụng vật liệu đệm hiện nay rất được quan tâm. Ngoài ra,
pumice là vật liệu hoàn toàn tự nhiên và thân thiện với môi trường, giá thành thấp
và có rất nhiều ở Việt Nam. Do đó, nghiên cứu sử dụng pumice trong xử lý nước
thải là một hướng mới cần quan tâm ở Việt Nam.
1.2.5.2.

Luận văn thạc sĩ

Tính mới của đề tài


4

Sử dụng vật liệu mang tính tự nhiên, không tác động đến môi trường là
ưu tiên trong việc xử lý môi trường. Đá pumice là loại đá núi lửa tự nhiên, có rất
nhiều ở Việt Nam nên ứng dụng pumice trong xử lý nước thải là loại vật liệu bám
dính mới, chưa được sử dụng trong thực tiễn ở Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu hiệu
quả xử lý nước thải có sử dung pumice làm vật liệu bám dính trong xử lý kỵ khí cần
được triển khai nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ

5

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÝ THUYẾT VỀ BỂ KỴ KHÍ CÓ GIÁ THỂ
2.1.1. Lý thuyết về quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải
Quá trình phân huỷ kỵ khí truyền thống bao gồm bể chứa chất thải và vi sinh
vật phân huỷ trong điều kiện kỵ khí. Chất thải đầu vào có thể là gián đoạn hoặc liên
tục.
Trong nước thải, chất hữu cơ phân hủy sinh học bao gồm các phân tử keo
hoặc hòa tan và các hạt. Trước khi vi sinh vật sử dụng, phải có enzymes để hòa tan
hoặc thủy phân. Để thủy phân những vật chất hữu cơ này, thành phần chủ yếu là
proteins, carbonhydrates và lipids, vi sinh vật phải tổng hợp và tiết ra những enzym
thủy phân khác nhau. Sự phân hủy các phức chất hữu cơ được mô tả trong chuỗi các
phản ứng liên tiếp, được tiến hành bởi các nhóm vi sinh phức tạp, vi sinh vật thủy
sinh, lên men, homoacetogen, tổng hợp, metan (Zinder, 1993; Stams, 1994; Schink,
1997). Phân hủy sinh học carbonhydrate, protein và lypid được tiến hành liên tục
bởi các nhóm vi khuẩn kỵ khí được mô tả qua các bước sau:
a. Thủy phân
Các enzym ngoại bào được sản xuất ra bởi các vi khuẩn thủy phân và lên
men thủy phân các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn, dưới dạng dễ phân hủy hơn
và lên men đường thành acid carboxylic và các rượu.
b. Acid hóa
Bao gồm quá trình lên men và oxi hóa kỵ khí được thực hiện bởi nhóm các
vi sinh vật kỵ khí hoặc tùy nghi như Clostridium, Bifidobacterium, Desulphovibrio,
Actinomyces, and Staphylocococcus. Acid béo bay hơi (VFA), như propionic acid
và butyric acid được tạo ra bởi carbon dioxide và hydro.

Luận văn thạc sĩ

6

c. Aceton hóa
Vi khuẩn aceton bẻ gãy các acid bay hơi và rượu thành acetate, hydro và
carbon dioxide.

Hình 2.1: Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ. Năng
lượng tạo ra tương đối thấp vì hợp chất hữu cơ sử dụng cho vừa là electron cho và
nhận (Giraldo and Eugenio, 1993)

Luận văn thạc sĩ


7

d. Metan hóa
Trong giai đoạn này, vi khuẩn metan hóa như

Methanobacillus,

Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu trách nhiệm chuyển
hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng aceton hóa thành khí metan và carbon
dioxide (Metcalf and Eddy, 1991).
Một số phương trình phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí:
4H2 + CO2  CH4 +2H2O4
HCOO- + 4H+ 

CH4 + 3CO2 + 2H2O

4CO + 2H2O  CH4 + 3CO2
4CH3OH  3CH4 + CO2 + 2H2O
4(CH3)3N + H2O9  CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
CH3COOH  CH4 + CO2
Có nhiều loại vi khuẩn tạo metan khác nhau cũng như có nhiều loại vi khuẩn
sinh acid khác nhau. Vấn đề ổn định chất thải đòi hỏi phải cân bằng các sinh vật này
với nhau. Việc ổn định và duy trì cân bằng này là một trong những điều kiện vận
hành quan trọng nhất, được thể hiện qua nồng độ acid bay hơi. Acid bay hơi là acid
hữu cơ mạch ngắn, là thành phần chủ yếu được tạo ra từ giai đoạn chuyển hóa đầu
tiên. Chúng là hợp chất trung gian quan trọng trong quá trình kỵ khí. Và hầu như
metan sinh ra từ kết quả của quá trình lên men bởi các vi sinh vật metan. Khi hệ cân
bằng, vi sinh vật metan sử dụng acid trung gian ngay khi chúng sinh ra. Tuy nhiên,
nếu vi khuẩn metan không đủ số lượng hoặc bị giảm do điều kiện môi trường,
chúng sẽ không sử dụng acid nhanh bằng lượng acid sinh ra, khi đó, nồng độ acid
bay hơi tăng. Do đó, khi nồng độ acid tăng cho thấy vi khuẩn metan không cân bằng
với vi khuẩn sinh acid.

Luận văn thạc sĩ


8

Vi khuẩn sinh metan rất khó để cô lập và nghiên cứu. Do vậy, rất ít hiểu biết
về đặc tính sinh hóa cơ bản của chúng được biết. Sự chuyển hóa vật chất hữu cơ
thành metan chắc chắn thông qua một chuỗi các giai đoạn sinh hóa phức tạp. Mặc
dù không biết rõ từng bước riêng lẽ nhưng những nghiên cứu cũng cho thấy những
nguồn chính của metan là acid acetic và carbon dioxyt được tạo thành thành từ acid
acetic :
C*H3COOH  C*H4 + CO2

Acid này là một trong những acid bay hơi quan trọng được hình thành từ quá
trình phân hủy của chất hữu cơ phức tạp và là nguồn chính tạo metan trong kỵ khí.
Carbon metyl của acid acetic được đánh dấu * cùng với 3 nguyên tử H chuyển hóa
thành khí metan. Carbonyl carbon (không có *) chuyển hóa thành CO2.
Hầu hết carbon còn dư trong quá trình kỵ khí được tạo thành từ quá trình
khử CO2. Hydro, được tạo ra từ hợp chất hữu cơ bởi các enzym, sẽ khử CO2 thành
CH4. CO2 ở đây đóng vai trò như là chất nhận điện tử, giống như vai trò của oxy
trong quá trình hiếu khí. Luôn luôn có một lượng CO2 dư lớn cho xử lý kỵ khí, do
đó, CO2 cho quá trình khử này không bao giờ là yếu tố giới hạn của quá trình xử lý
phức chất.
Quá trình khử carbon dioxide:
CO2 + 8H  CH4 + 2H2O
Acid hữu cơ bay hơi
Có hai loại acid hữu cơ bay hơi chủ yếu được tạo thành từ quá trình kỵ khí là
acetic acid và propionic acid. Hai loại acid này là tiền thân của metan, chúng
chuyển hóa thành metan như trong hình 2.2. Phần trăm chuyển hóa được thể hiện
qua sự chuyển hóa COD và qua quá trình lên men metan của phức chất. Phần trăm
chuyển hóa thay đổi phụ thuộc vào bản chất của chất thải.
Điều kiện trong quá trình kỵ khí

Luận văn thạc sĩ


9

Vi khuẩn metan, vi khuẩn chịu trách nhiệm chính trong quá trình ổn định
chất thải xử lý kỵ khí, phát triển rất chậm so với vi khuẩn hiếu khí và do đó nó cần
nhiều thời gian để thích nghi với sự biến đổi tải trọng, nhiệt độ, và những điều kiện
khác. Chính vì thế, các giải pháp thiết kế và vận hành cần phải được xem xét trong
các điều kiện môi trường tối ưu để đạt hiệu quả xử lý cao và nhanh.

4%

H2
24%

Chất thải hữu cơ,
carbonhydrate,
chất béo, protein

76%

Acid hữu
cơ cao
phân tử
20%

Giai đoạn 1
Thủy phân và lên men hóa

28%

CH4
52%

72%

Acetic
acid
Giai đoạn 2
Aceton hóa

Giai đoạn 3
Metan hóa

Hình 2.2: Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan
Ở nhiệt độ cao, tốc độ phản ứng nhanh hơn nên vận hành hiệu quả hơn và
kích thước bể nhỏ hơn. Hai mức nhiệt độ tối ưu cho xử lý kỵ khí là ở mức
mesophilic nhiệt độ từ 85-100 oF và ở mức thermophilic nhiệt độ từ 120-135 oF. Mặc
dù ở mức thermophilic đạt hiệu quả cao hơn nhưng phải bổ sung thêm nhiệt độ nên
có thể làm phức tạp thêm quá trình. Do đó, hệ thống thường thiết kế theo mức
mesophilic hoặc thấp hơn.
Một yêu cầu khác trong quá trình kỵ khí là phải duy trì điều kiện không có
oxy. Một lượng nhỏ oxy có thể làm ảnh hưởng đến vi khuẩn sinh metan và những
loại sinh vật kỵ khí khác.Chính vì thế, bể thường phải được đóng kín và khí metan
sinh ra được thu lại để làm nguồn nhiệt.

Luận văn thạc sĩ


10

Vi khuẩn trong quá trình kỵ khí đòi hỏi phải có nitơ, phospho và một số
nguyên tố khác cho sự phát triển tối ưu. Tuy nhiên, một số nước thải không đáp ứng
được điều này, do đó cần thiết phải bổ sung dinh dưỡng. Trong một số trường hợp,
cần phải bổ sung 30-60mg/l sắt dưới dạng FeCl3.
pH cũng là một yêu cầu quan trọng trong quá trình kỵ khí, quá trình kỵ khí
hoạt động tốt ở pH từ 6.6 – 7.6 nhưng tối ưu là 7.0-7.2. Khi pH dưới 6.2, môi
trường acid trong bể có thể làm nguy hại đối với vi khuẩn metan.
Một yêu cầu cuối cùng đối với quá trình này là về việc chất độc hại như
muối vô cơ, chất hữu cơ độc hại hoặc các kim loại nặng. Nước thải công nghiệp

thường có chứa nhiều muối như muối kali, muối magie, muối calci, ammonium
hoặc sulfide có thể gây ảnh hưởng đến xử lý kỵ khí.
Các chỉ thị của việc xử lý không cân bằng
Một số chỉ thị giúp nhận biết quá trình xử lý không cần bằng là
- Các thông số tăng : nồng độ acid bay hơi, phần trăm khí CO2 trong khí
- Các thông số giảm : pH, tổng khí tạo ra, ổn định chất thải
Trong các thông số trên, thông số thể hiện rõ nhất quá trình xử lý không cân
bằng là nồng độ acid bay hơi. Trong xử lý kỵ khí, vi khuẩn metan phân hủy acid
bay hơi, nên khi trong môi trường độc hại, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi
khuẩn metan, làm cho số lượng vi khuẩn metan giảm xuống, tương ứng với việc
tiêu thụ acid bay hơi giảm so với tốc độ sinh acid bay hơi sinh ra từ quá trình lên
men. Vì vậy nồng độ acid bay hơi trong bể sẽ tăng cao. Nồng độ acid bay hơi cao
không gây hại nhưng nó chỉ ra cho thấy số lượng của vi khuẩn metan đang bị ảnh
hưởng. Một chỉ thị khác là pH giảm, do nồng độ acid bay hơi tăng.
Một số loại độc tố ảnh hưởng đến lượng khí sinh ra. Tuy nhiên, thông số này
chỉ đánh giá được khi đầu vào hằng ngày ổn định và khí sinh ra cũng không biến
động lớn trong điều kiện thông thường. Sự biến động của phần trăm CO2 trong khí

Luận văn thạc sĩ


11

sinh ra cũng có thể chỉ thị sự mất cân bằng mạnh. Khi xử lý mất cân bằng, khí
metan sinh ra giảm, do đó, phần trăm CO2 tăng lên.
Những chỉ thị ở trên thường gắn kết với nhau tạo thành một bức tranh tổng
thể về hiệu quả vận hành không đạt điều kiện cân bằng.
2.2.1. Bể kỵ khí có giá thể bám dính
Bể kỵ khí bám dính chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh kị
khí sống bám trên bề mặt.Giá thể đó có thể là đá, sỏi, than, vòng nhựa tổng hợp,

tấm nhựa, vòng sứ,…Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp xúc với màng
vi sinh bám dính trên bề mât giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh
dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời
gian lưu nước nhỏ nên có thể vận hành ở tải trọng rất cao. Bể kỵ khí có sữ dụng vật
liệu bám dính là đá, sỏ thường bị bít tắc do các chất lơ lửng và màng vi sinh không
bám dính giữ lại ở các khe rỗng giữa các viên đá và sỏi. Giá thể là vật liệu nhựa
tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) vi sinh dể bám dính, thay thế dần
đá sỏi. Tỉ lệ riêng diện tích bề mặt/thể tích của vật liệu thông thường dao động trong
khoảng 100-220m2/m3.Do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối, vì
vậy rất dể gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục nhược điểm này,
có thể bố trí thêm HT xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua HT phân phối khí
đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra
khỏi bể bằng xã đáy và rữa ngược.
2.2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÁ PUMICE
2.2.1 Khái niệm đá pumice
Pumice là loại đá núi lửa phun trào, được tạo ra khi dung nham núi lửa với
nồng độ nước và khí cao. Các bọt khí bay hơi khỏi dung nham thì tạo thành những
lỗ trống và dung nham nguội lạnh đông cứng lại, kết quả là tạo thành loại đá nhẹ và
có nhiều lổ rỗng xốp chứa khí. Pumice là loại đá duy nhất nổi trên nước, tuy nhiên
khi bỏ vào nước, nước sẽ xâm nhập vào trong các lỗ rỗng và kéo đá chìm xuống.

Luận văn thạc sĩ


12

Hình 2.3: Đá pumice
Đá có màu sáng do có hàm lượng silic cao và ít sắt và magie. Khi dung nham
đông đặc lại quá nhanh không cho các chất bay hơi thoát ra ngoài thì sẽ tạo thành đá
núi lửa obsidian. Độ rỗng xốp khoảng 60 – 70%

Bảng 2.1.: Thành phần đặc trưng đá pumice

2.2.2. Một số ứng dụng của đá pumice
Đá pumice được dùng làm vật liệu nhẹ trong xây dựng như betong nhẹ.
Khoảng ¾ đá pumice dùng cho mục đích này.

Luận văn thạc sĩ


13

Ngoài ra, đá pumice còn dùng trong cọ rửa, cây cá cảnh và wash quần jean.
2.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Hiện nay chỉ có một số công trình nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải
của bùn kỵ khí cố định bằng Chitosan/lignosulfonate.
2.4.1. B. Kocadagistan, E. Kocadagistan, N. Topcu, N. Demircioˇglu,
Wastewater treatment with combined upflow anaerobic fixed-bed and suspended
aerobic reactor equipped with a membrane unit, Process Biochemistry 40 (2005)
177–182.
Bể kỵ khí ngược dòng có giá thể (UAFB) sử dụng đá pumice làm vật liệu lọc
sinh học và bể bùn hoạt tính lơ lửng kết hợp với vi màng lọc cho ta hiệu quả loại bỏ
COD 94–98.7% ở tải trọng 3.67–16.56 kgCODm3/ngày. Phospho loại bỏ được96–
97%. NO2-N và NO3-N trong dòng ra sau MF thấp hơn 1.0 mg/ l.
2.4.2. Z. Song, C.J. Williams, R.G.J. Edyvean, Tannery Wastewater
Treatment Using an Upflow Anaerobic Fixed Biofilm Reactor (UAFBR),
Environmental Engingeering Science, Volume 20 Issue 6: July 6, 2004

Bể kỵ khí ngược dòng có sự dụng vật liệu đệm được ứng dụng trong nghiên
cứu xử lý nước thải thuộc da. Kết quả đạt được là COD loại bỏ 60 – 75%, khí metan
đạt 0.36 m3 CH4/kg CODrem . Khả năng loại bỏ COD và sinh khí metan cao hơn các

nghiên cứu trước đây. Vậ liệu bọt biển rỗng xốp polyurethane thích hợp hơn vòng
sứ.
2.4.3. Oscar Umaña, Svetlana Nikolaeva, Enrique Sánchez, Rafael Borjaand
Francisco Raposo, Treatment of screened dairy manure by upflow anaerobic fixed
bed reactors packed with waste tyre rubber and a combination of waste tyre
rubber and zeolite: Effect of the hydraulic retention time, Bioresource
Technology, Volume 99, Issue 15, October 2008, Pages 7412-7417
Hai mô hình thí nghiệm bể kỵ khí sử dụng vật liệu đệm bám dính sử lý nước
thải chăn nuôi bò sữa ngược dòng và bán liên tục. Một được cho vật liệu đệm là vò
xe cao su và zeolite (R1) trong khí cái còn lại chỉ cho vỏ xe cao su (R2). Chất lượng

Luận văn thạc sĩ


14

đầu ra được cải thiện khi chỉnh thời gian lưu dao động từ 1 – 5,5 ngày. Hiệu quả
khử COD, BOD5, TS, VS cao hơn ở R1. Không có hiện tượng nghẹt trong suốt quá
trình vận hành. Sản lượng Methane ở R1 cao hơn R2 12.5% và 40% ở HRTs 5.5 và
1.0 ngày.
2.4. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO TẠI TP HỒ CHÍ
MINH
2.4.1. Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh
Chăn nuôi heo là một trong những nghề truyền thống của Việt Nam. Cùng với
sự phát triển của đất nước, ngành chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh phát
triển mạnh mẽ, phát triển thành những cơ sở chăn nuôi có quy mô lớn, đáp ứng
phần nào nhu cầu tiêu dùng cho khu vực.
Tuy nhiên, kèm theo sự phát triển đó là những hạn chế về mặt bảo vệ môi
trường. Ngành chăn nuôi heo gây ra ô nhiễm môi trường khí, đất và nước nặng nề.
Tại những khu vực chăn nuôi heo, mùi hôi sinh ra do quá trình phân hủy chất thải

đã làm ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường sống xung quanh. Nước thải chứa
nhiều chất ô nhiễm gây ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm và nguồn nước thiên
nhiên. Các chất khí độc do quá trình bị phân hủy bởi các hợp chất hữu cơ có trong
chất thải chăn nuôi như: Sunphuahydro, Mercaptan Metan, Amoniac…. Với nồng
độ cao có thể gây ra tác hại không tốt cho cơ thể con người và vật nuôi. Đặc biệt,
nhiều hộ dân, cơ sở chăn nuôi đã sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi chứa nhiều
VSV gây bệnh để tưới rau xanh gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và đất khu
vực trồng rau. Ngoài ra, nước thải chăn nuôi không được xử lý sẽ trở thành nguyên
nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc và lây bệnh sang cho người.
2.4.2. Thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi heo
Nước thải chăn nuôi heo thường có nồng độ chất rắn , BOD và COD khá cao
và một lượng lớn các chất hữu cơ của Carbon, Nito, Phospho. Các hợp chất hữu cơ
này làm tăng độ phì của nước đồng thời dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật , gây mùi
hôi thối và làm ô nhiễm nguồn nước.

Luận văn thạc sĩ


15

Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo dao động đáng
kể tùy thuộc khối lượng nước dùng để vệ sinh chuồng trại, có hoặc không thu gom
phân trước khi tắm heo, rửa chuồng. Tuỳ thuộc từng cơ sở chăn nuôi mà thành phần
nước thải khác nhau.
Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải của các ngành
công nghiệp khác nhưng chứa nhiều ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán.
Điển hình là nhóm vi trùng đường ruột với các genus như E.Coli, Salmonella,
Shigella, Proteus, Arizona. Theo nghiên cứu của A.Kigirov (1982), Nanxena (1978)
và Bonde (1967): vi trùng gây bệnh đóng dấu cho lợn tồn tại trong nước thải 92
ngày, Brucella từ 74108 ngày, Salmonella từ 36 tháng, Leptospira 35 tháng,

Virus FMD tồn tại trong nước thải 23 tháng. Các loại vi trùng có nha bào như
Bacillus anthracis tồn tại 10 năm (gần đây có tài liệu đến 20 năm), B.tetani tồn tại
có khả năng gây bệnh 34 năm.
Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola hepatica,
Fasiolagigantiac,

Fasiolosis

buski,

Ascasis

suum,

Oesophagostomum

và

Trichocephalus dentatus, . . . có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 628
ngày ở nhiệt độ và khí hậu nước ta và có thể tồn tại được 25 tháng.
Nhiều loại mầm bệnh có khả năng xâm nhập vào mạch nước ngầm như
B.anthracis, Salmonella, E.Coli, . . .
Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi heo có những ưu điểm như sau:
- Thành phần các chất thải hữu cơ (chất rắn, bùn, nước) tương đối ổn định
- Có thể thu nhận được khí sinh học dùng làm nguồn cung cấp năng lượng
- Chất thải rắn thu gom được là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất phân bón
chất hữu cơ
- Tuyệt đại đa số mầm bệnh: vi khuẩn, nấm mốc, trứng giun sán bị tiêu diệt
gần như hoàn toàn

Luận văn thạc sĩ


16

Bảng 2.2: Thành phần tính chất hóa lý của nước thải chăn nuôi heo
STT

Đặc tính

Đơn vị

Giá trị

1

COD

mg/l

1800-3200

2

BOD5

mg/l

1000-1800

3

DO

mg/l

0-0.2

4

SS

mg/l

1500-4200

5

pH

6

Tổng Nitơ

mg/l

220-860

7

N-NH4

mg/l

200-800

8

N-NO3

mg/l

3-15

9

N-NO2

mg/l

0-5

10

Tổng P

mg/l

30-80

11

Escherichia coli

MPN/100ml

1.5  106-6.8  10 8

12

Steptococcus faecalis

MPN/100ml

3  10 2-3.5  103

13

Clostridium ferfringens

Tế bào/100ml

50-1.6  102

6.8-8.5

Nguồn: Lê Công Nhất Phương, 2007
2.4.3. Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo
Tính chất nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ
xử lý và thiết kế đạt yêu cầu đầu ra. Khoảng dao động của thành phần và lưu lượng

quyết định tải trọng thiết kế cho công trình. Do đó, việc xác định các thông số của
nước thải chăn nuôi heo rất quan trọng trước khi tiến hành nghiên cứu.
- Phương pháp tự nhiên: phương pháp cánh đồng tưới, phương pháp cánh đồng
lọc, ao sinh học
- Phương pháp xử lý nhân tạo: Aerotank, SBR, UASB, AF, bể metan

Luận văn thạc sĩ