NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ZEOLIT X.P1 BỔ SUNG NHÔM OXIT ĐỂ HẤP PHỤ CÁC CHẤT HỮU CƠ CHỨA TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN CỦA TRẠI GIỐNG CLC – KHOA CHĂN NUÔI – HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.81 MB, 72 trang )
HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MƠI TRƯỜNG
------- & -------
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ZEOLIT X.P1 BỔ SUNG
NHÔM OXIT ĐỂ HẤP PHỤ CÁC CHẤT HỮU CƠ
CHỨA TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
CỦA TRẠI GIỐNG CLC – KHOA CHĂN NUÔI –
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM”
Người thực hiện
: NGUYỄN THỊ HỒI
Lớp
: MTA
Khóa
: 57
Chun ngành
: KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG
Giáo viên hướng dẫn
: ThS. TRẦN THANH HẢI
Hà Nội, 2016
HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MƠI TRƯỜNG
------- & -------
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
“ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ZEOLIT X.P1 BỔ SUNG
NHÔM OXIT ĐỂ HẤP PHỤ CÁC CHẤT HỮU CƠ
CHỨA TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
CỦA TRẠI GIỐNG CLC – KHOA CHĂN NUÔI –
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM”
2
Người thực hiện
: NGUYỄN THỊ HỒI
Lớp
: MTA
Khóa
: 57
Chun ngành
: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Giáo viên hướng dẫn
: ThS. TRẦN THANH HẢI
Địa điểm thực tập
: BỘ MƠN HĨA - KHOA MƠI TRƯỜNG
2
2
Hà Nội, 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi. Số liệu và kết quả
trong khóa luận là tơi làm ra và chưa từng được sử dụng trong bất cứ luận
văn nào trước đây.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận
đều được sự đồng ý và các thơng tin trích dẫn trong khóa luận đều được chỉ
rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Thị
Hoài
3
3
3
4
4
4
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn các thầy, cô của bộ mơn Hóa – khoa Mơi trường đã tạo
điều kiện rất nhiều trong quá trình thực tập tốt nghiệp tại bộ môn.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới thầy, cô trong khoa Môi trường – Học Viện
Nông Nghiệp Việt Nam đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm tôi
học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học khơng chỉ là nền
tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn là hành trang q báu để tơi
bước vào đời một cách vững chắc hơn.
Để hồn thành khóa luận này, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy
Th.s Trần Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn trong suốt q trình thực hiện
khóa luận tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn Khoa Chăn Nuôi – Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam
đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực tập tại trang trại.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè những người đã
ủng hộ, giúp đỡ tơi hồn thành khóa luận này.
Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.
Song do bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học cũng như hạn chế kiến
thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy tơi rất
mong sự góp ý của q thầy, cơ và bạn bè để khóa luận được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Thị Hoài
5
5
5
MỤC LỤC
6
6
6
7
7
7
DANH MỤC HÌNH
8
8
8
BTB
: Bắc Trung Bộ
BTNMT
: Bộ Tài nguyên Môi trường
BVMT
: Bảo vệ Mơi trường
CLC
: Chất lượng cao
COD
BOD5
: Nhu cầu oxy hóa hóa học
: Nhu cầu oxy hóa sinh học
DHMT
: Duyên hải miền Trung
ĐBSCL
: Đồng bằng sông Cửu Long
ĐBSH
:Đồng bằng sông Hồng
ĐNB
: Đông Nam Bộ
MNBB
: Miền núi Bắc Bộ
QCVN
TCCP
: Quy chuẩn Việt Nam
: Tiêu chuẩn cho phép
TSS
VLHP
: Tổng chất rắn lơ lửng trong nước
: Vật liệu hấp phụ
VSV
: Vi sinh vật
9
9
9
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài
Trong những thập kỉ gần đây, con người chú trọng nhiều đến việc phát
triển hệ thống sản xuất nông nghiệp bền vững, trong đó ngành chăn ni là bộ
phận cấu thành quan trọng của tổng thể. Ngày nay, sự phát triển sản xuất ngành
chăn nuôi là sự kết hợp của nhiều khuynh hướng kỹ thuật quản lý mới.
Trong thế giới hiện đại, cùng với sự phát triển nhanh chóng các nền kinh
tế, mức sống con người đã và đang được nâng cao đáng kể. Nhu cầu của con
người đối với thực phẩm có nguồn gốc động vật như thịt, trứng, sữa …đòi hỏi
ngày càng cao, tỷ lệ thuận với trình độ mỗi nước.
Đáp ứng nhu cầu thực tiễn đó, trang trại chăn ni lợn giống CLCcủa
khoa Chăn nuôi – Học viện Nông nghiệp Việt Nam được thành lập với mục đích
sản xuất kinh doanh lợn giống, thịt trên quy mô công nghiệp. Song song với đó
là nguồn chất thải phát sinh trong quá trình chăn ni sinh ra với khối lượng lớn.
Thành phần chất thải trong chăn nuôi rất đa dạng ở tất cả trạng thái rắn, lỏng,
khí bao gồm: phân, nước tiểu, xác chết động cật cũng như thức ăn thừa và vật
liệu lót chuồng…
Nước thải chăn ni tuy khơng chứa nhiều chất độc hại trực tiếp như chất
thải công nghiệp nhưng chúng gây độc tiềm tàng do chứa nhiều chất hữu cơ dễ
phân hủy tạo nên các sản phẩm độc hay chứa virus, trứng giun sán, hay kí sinh
trùng gây bệnh…
Đã có nhiều phương pháp xử lý ơ nhễm chất hữu cơ trong nước như
phương pháp sinh học, lọc màng, hấp phụ,… Tuy nhiên phương pháp hấp phụ
cho đến nay vẫn được xem là phương pháp hiệu quả vì sử dụng vật liệu làm chất
hấp phụ khá phong phú,dễ điều chế, thân thiện với mơi trường và có độ an tồn
cao.
Chính vì thế, trong phạm vi của khóa luận tốt nghiệp này tôi thực hiện đề
tài: “ Nghiên cứu sử dụng Zeolit X.P1 bổ sung Nhôm oxit để hấp phụ các chất
hữu cơ chứa trong nước thải chăn nuôi lợn của trại giống CLC – Khoa Chăn
nuôi – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam”
10
10
Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá chất lượng nước thải chăn nuôi của trại lợn giống CLC- Khoa
Chăn nuôi- Học viện Nông Nghiệp Việt Nam qua việc lấy mẫu và phân tích tại
phịng thí nghiệm. So sánh nồng độ các thông số trên với QCVN
40:2011/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp để
làm cơ sở cho việc xác định hiệu quả hấp phụ của vật liệu Zeolit X.P 1 bổ sung
nhôm oxit.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của Zeolit X.P 1 bổ sung nhôm oxit đối với
nước thải chăn nuôi của trại lợn giống CLC – Khoa Chăn nuôi – Học viện Nơng
Nghiệp Việt Nam. Tìm ra được lượng Zeolit và lượng nhôm oxit cần thiết để
nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp hấp phụ đạt QCVN 40:2011/BTNMT.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về ngành chăn nuôi Việt Nam
1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam
1.1.1.1 Tình hình phát triển chăn ni Việt Nam trong những năm gần đây
(2005-2015)
Việt Nam là quốc gia có trên dưới 70% dân số làm nơng nghiệp. Nơng
nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế của nước ta, trong đó chăn ni
11
11
cùng với trồng trọt là hai lĩnh vực quan trọng của nền kinh tế nông nghiệp. Chăn
nuôi Việt Nam ngày nay đạt mức tăng trưởng cao không những đáp ứng đủ nhu
cầu tiêu dùng trong nước mà còn hướng tới xuất khẩu.
Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi Việt Nam có ít nhiều biến động theo
từng giai đoạn, cụ thể: tổng số lượng lợn có xu hướng giảm từ 2005- 2007(từ
27434895 con xuống còn 26560651 con), giai đoạn 2007- 2009 tăng trở lại từ
(26560651 con đến 27627729 con) và từ 2009- 2013 có xu hướng giảm tuy
nhiên đang có xu hướng tăng trở lại, đến năm 2015 có tổng 27750000 con, tăng
3,7% so với cùng kỳ năm 2014. Tổng số lượng bị cũng có ít nhiều biến động,
nhìn chung tổng số đàn bị có xu hướng giảm nhưng đến năm 2015 số lượng bị
có xu hướng tăng lên, cụ thể là cả nước có 5360000 con bằng 102,5% so với
năm 2015. Số lượng gà có xu hướng tăng (từ 159899000 đến 246028000
con).Đến năm 2015, cả nước ta có tổng 259300000 con gà bằng 105,39% so với
cùng kỳ năm trước (Tổng Cục Thống Kê, 2016).
Hình 1.1 Biểu đồ số lượng lợn trong giai đoạn 2005-2015 (con)
(Nguồn: Tổng cục thống kê, 2016)
Hình 1.2. Biểu đồ số lượng bò trong giai đoạn 2005-2015 (con)
(Nguồn: Tổng cục thống kê, 2016)
Hình 1.3. Biểu đồ số lượng gà trong giai đoạn 2005-2015 (con)
(Nguồn: Tổng cục thống kê, 2016)
12
12
Trong những năm gần đây việc phát triển chăn nuôi theo quy mô trang trại
tập trung phát triển mạnh. Xu hướng chuyển từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán theo
quy mơ hộ gia đình đang dần chuyển sang chăn ni trang trại tập trung theo
hướng sản xuất hàng hóa diễn ra mạnh ở nước ta. Năm 2014 cả nước có 9897
trang trại chăn nuôi (bằng 38,72% tổng số trang trại nông nghiệp), 2 vùng Đồng
bằng sông Hồng (ĐBSH) và Đông Nam Bộ (ĐNB) có nhiều trang trại nhất
tương ứng có 3444 và 2522 trang trại (Tổng cục thống kê, năm 2015).
Trong xu thế chun mơn hóa sản xuất, hình thức chăn nuôi tập trung
ngày càng phổ biến ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới. Hiện nay, số
lượng trại chăn nuôi lợn quy mô lớn ngày càng tăng. Các trại chăn ni tập
trung có trên 100 – 200 đầu lợn có mặt thường xun trong chuồng ni.
13
13
Bảng 1.1 Số lượng lợn phân theo các vùng của Việt Nam
Đơn vị: 1000con
Năm
Cả
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
27435, 26855, 26560, 26701, 27627, 27373, 27055, 26494, 26264, 26761,
nước
ĐBSH
TD và
0
3
7
6
7
2
9
0
4
6
7795,5 7472,9 7248,2 6971,9 7095,7 6940,5 7092,1 6855,2 6759,5 6824,8
MNPB
BTB
và
5446,4 5338,6 5558,6 5927,4 6317,2 6602,1 6424,9 6346,9 6328,8 6626,4
6526,4 6244,6 6148,5 5880,0 5888,0 5552,9 5.253,3 5084,9 5099,4 5207,5
DHMN
ĐNB
2247,6 2431,0 2369,3 2372,7 2611,6 2485,3 2801,4 2780,0 2758,8 2890,1
ĐBSC
3828,6 3982,0 3784,8 3630,1 3730,8 3798,9 3772,5 3722,9 3595,6 3470,4
L
(Nguồn: Tổng cục thống kê ,2015)
Số lượng trang trại chăn nuôi ở nước ta tăng tương đối nhanh và đều ở tất
cả các vùng nhưng chủ yếu phát triển ở các tỉnh ĐBSH và ĐNB. Vùng Tây
Nguyên là nơi có số lượng trang trại chăn nuôi thấp nhất ở nước ta. Tuy nhiên,
các khu cơng nghiệp vẫn cịn phát triển tự phát chưa được quy hoạch, chủ yếu
được xây dựng trên đất vườn nhà, đất mua hoặc thuê tại địa phương. Nhiều trang
trại xây dựng ngay trong khu dân cư gây ô nhiễm môi trường, nguy cơ dịch bệnh
cho vật nuôi, con người và ảnh hưởng lớn tới sự phát triển bền vững của ngành
chăn nuôi.
1.1.1.2 Định hướng và triển vọng phát triển chăn ni lợn tại Việt Nam
Việt Nam là nước có nền nông nghiệp lâu đời với số dân làm nông nghiệp
lớn và nơng nghiệp có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế đất nước. Tuy
nhiên trong những năm gần đây nền nông nghiệp Việt Nam chịu áp lực về đất
đai rất lớn. Do tốc độ tăng dân số và q trình đơ thị hóa nhanh đã làm giảm
diện tích đất nơng nghiệp. Để đảm bảo an tồn về lương thực và thực phẩm, biện
14
14
pháp duy nhất là thâm canh trong cả trồng trọt lẫn chăn ni trong đó chăn ni
lợn là một thành phần quan trọng trong định hướng phát triển.
Theo quyết định số 10/2008/QĐ-TT ngày 16 tháng 1 năm 2008của Thủ
tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn ni đến năm
2020 thì:
-
Đến năm 2020 ngành chăn ni 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 phấn đấu đạt trên 42%.
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.
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 2015-2020 đạt khoảng 5-6% năm.
1.1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi lợn
Hiện nay với sự hội nhập quốc tế kèm với đó là sự gia tăng những quy
định về bảo vệ môi trường, ý thức ngày càng nâng cao của cộng đồng về các vấn
đề mơi trường thì vấn đề mơi trường nói chung và mơi trường chăn ni nói
riêng đã nhận được sự quan tâm của cộng đồng. Trên thế giới môi trường chăn
nuôi đã được đánh giá một cách khá tồn diện, một trong số đó là các nghiên
cứu về xử lý chất thải chăn nuôi. Tại Việt Nam, mặc dù đã phần nào cảm nhận
được tác hại về môi trường do chăn nuôi gây ra song gần như chưa có một
nghiên cứu đầy đủ nào về quản lý, xử lý chất thải chăn ni.
Khi cịn chăn ni nhỏ lẻ, việc sử dụng chất thải từ chăn nuôi cho hoạt
động sản xuất nông nghiệp gần như không phải là mối hiểm họa đối với môi
trường. Tuy nhiên, khi hoạt động này chuyển sang hình thức tập trung theo quy
mơ lớn thìhàng ngày thải ra một lượng lớn chất thải. Điều đáng lưu ý làphần lớn
trong đó khơng được xử lý và đổ trực tiếp vào hệ thống thoát nước, kênh mương
15
15
trong vùng làm nhiều hộ dân khơng có nước sinh hoạt (nước giếng trong vùng
có váng, mùi hơi tanh), tỷ lệ người dân bị mắc bệnh tiêu chảy, mẩn ngứa và ghẻ
lở cao. Ơ nhiễm do chất thải chăn ni không chỉ ảnh hưởng nặng tới môi
trường khu dân cư mà cịn gây ơ nhiễm nguồn nước, tài ngun đất và ảnh
hưởng lớn tới kết quả sản xuất chăn nuôi. Các hoạt động gây ô nhiễm do chăn
nuôi lợn vẫn đang tiếp tục diễn ra ở nhiều nơi trên cả nước.
Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn nước ta phát triển với tốc
độ rất 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, dẫn đến năng suất chăn nuôi thấp và
gây ô nhiễm mơi trường một cách trầm trọng. Ơ nhiễm mơi trường không những
ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, năng suất chăn ni mà cịn ảnh hưởng rất lớn
tới sức khỏe con người và môi trường sống xung quanh. Mỗi năm ngành chăn
nuôi gia súc, gia cầm thải ra một lượng lớn chất thải, với phương thức sử dụng
phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả thải trực
tiếp ra môi trường gây ô nhiễm trầm trọng.
Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường và sức khỏe con người trên
nhiều khía cạnh: Gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường không
khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp. Đây chính là ngun nhân
gây ra nhiều căn bệnh về hơ hấp, tiêu hóa, do trong chất thải chứa nhiều vi sinh
vật gây bệnh, trứng giun. Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã cảnh báo: “Nếu khơng
có biện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh
hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường trầm
trọng”. Đặc biệt, các virus biến thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng,
dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng
của rất nhiều người.
Kết quả điều tra hiện trạng quản lý chất thải chăn nuôi cho thấy hầu như
các cơ sở chăn nuôi đều chưa tiến hành xử lý chất thải trước khi chuyển ra ngoài
khu vực chăn ni. Các cơ sở này chỉ có khu vực tập trung chất thải ở vị trí cuối
16
16
trại. Chất thải được thu gom và đóng vào bao tải để bán cho người tiêu thụ làm
phân bón hoặc nuôi cá. Các bao tải này được sử dụng nhiều lần, không được vệ
sinh tiêu độc nên nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và lây nhiễm lan truyền dịch
bệnh từ trang trại này sang trang trại khác là rất cao. Đối với phương thức nuôi
lợn trên sàn bê tông phía dưới là hầm thu gom thì khơng thu được chất thải rắn
toàn bộ chất thải, bao gồm phân, nước tiểu, nước rửa chuồng được hòa lẫn và
dẫn vào bể biogas. Kết quả điều tra cho thấy, hầu hết các trang trại chăn ni lợn
đều có sơ đồ xử lý chất thải như sau:
Nước thải Bể biogas
Hồ sinh học
Thải ra mơi trường
Việc kiểm sốt chất thải chăn ni là một nội dung cấp bách cần được các
cấp quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm để hạn chế
ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng
như khơng kìm hãm sự phát triển của ngành.
1.1.2. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn trên thế giới và Việt Nam
1.1.2.1.
Kỹ thuật xử lý yếm khí
Nước thải chăn nuôi lợn thuộc loại giàu TSS, COD,BOD 5,N, P vì vậy để
xử lý nước thải chăn ni lợn kỹ thuật yếm khí ln là sự lựa chọn đầu tiên.
Cũng như các quá trình sinh học khác, quá trình xử lý yếm khí dựa vào khả năng
đầu tiên của hệ vi sinh vật yếm khí. Muốn phát triển về số lượng phải tiêu thụ
vật chất, “thức ăn” của chúng ở đây chính là các chất ơ nhiễm (chủ yếu là các
chất hữu cơ),lượng thức ăn nhiều thì càng phát triển nhanh. Vi sinh vật (VSV) ăn
càng nhiều nghĩa là xử lý càng tốt. Ở đây vi khuẩn là tác nhân phát triển nhanh
nhất sẽ là động lực chính. Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là q
trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian,
mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt và sản phẩm cuối cùng là
các chất đơn giản hơn.
Phương trình tổng thể hiện phản ứng yếm khí phân hủy chất hữu cơ như
sau:
17
17
CaHbOcNdSe +
(4a-b+2c+3d+2e)CO2 +
(4a-b-2c+3d+2e)H2O
(4a+b-2c-3d-2e)CH4 + dNH3 + eH2S
Về mặt kỹ thuật, xử lý yếm khí trong xử lý nước thải chăn nuôi thường áp
dụng sau tiền xử lý (tách cặn), đi trước các kỹ thuật xử lý hiếu khí. Có thể nói kỹ
thuật yếm khí chịu trách nhiệm xử lý tới khoảng 90% ơ nhiễm hữu cơ. Tuy
nhiên, sau q trình yếm khí vẫn phải xử lý hiếu khí do kỹ thuật xử lý yếm khí
khơng xử lý được hồn tồn các chất hữu cơ.
Một trong những cơng trình xử lý yếm khí phổ biến và hiệu quả đó là hầm
Biogas. Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, được áp dụng ở hầu hết
các cơ sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình.
Bể Biogas có khả năng tạo ra nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế
được một phần các nguồn năng lượng khác. Trong bể Biogas các chất hữu cơ
được phân hủy một phần, do đó sau biogas nước thải có hàm lượng chất hữu cơ
thấp hơn và ít mùi hơn. Bùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất
nông nghiệp.
Ở các nước châu Âu và Mỹ, nhất là ở Anh, nước thải và chất thải chăn
nuôi được coi là nguồn nguyên liệu khá lớn để sản xuất khí sinh học và thu hồi
năng lượng. Ở Đức, biogas từ chất thải chăn nuôi và các nguồn thải hữu cơ khác
đã được đưa vào cán cân năng lượng quốc gia để đạt mục tiêu 20% năng lượng
sử dụng là năng lượng tái tạo vào năm 2020.
Tuy nhiên, hầm Biogas khơng giải quyết được hồn tồn vấn đề ô nhiễm,
nhất là ở chất lượng nước thải ra sau hầm biogas. Tại đây, hàm lượng chất hữu
cơ, N, P vẫn ở ngưỡng cao, địi hỏi thêm q trình hiếu khí kèm theo để xử lý
triệt để các chất hữu cơ.
Một điều đáng lưu ý là hầu hết các trang trại chăn nuôi hiện nay đều chỉ
sử dụng hệ thống Biogas trong xử lý nước thải, trong khi chất lượng nước thải
đầu ra của hệ thống này lại không đạt tiêu chuẩn. Chính nguyên nhân này sẽ dẫn
đến việc ô nhiễm các ao, hồ, sông... khi xả trực tiếp nguồn thải này ra ngoài.
18
18
1.2.3.
1.1.2.2.
Kỹ thuật xử lý hiếu khí
Ưu điểm: Phương pháp hiếu khí xử lý triệt để chất hữu cơ, thời gian xử lý
nhanh hơn, ngồi khả năng oxy hóa các hợp chất hữu cơ cịn oxy hóa cả các hợp
chất gây ô nhiễm khác (như N-amoni), nên có thể được áp dụng để xử lý sạch
nước thải tới mức đạt các tiêu chuẩn xả thải.
Nhược điểm: Kỹ thuật xử lý hiếu khí tiêu tốn năng lượng cấp khí, phát
sinh nhiều bùn, có thể sinh ra chất ơ nhiễm thứ cấp và chỉ xử lý được nước thải
có nồng độ chất hữu cơ thấp.
Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính được phát sinh bởi Arden và Lockett
(1914) tại Anh. Vi khuẩn dính bám lên các bơng cặn có trong nước thải và phát
triển thành sinh khối tạo thành bơng bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ. Các
bơng bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng ơxy 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 ni bằng bể Aerotank có ưu điểm là tiết kiệm được
diện tích và hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưng 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 cho phù hợp.
Phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí – thiếu khí kết hợp
Đây là một dạng cải tiến của phương pháp bùn hoạt tính truyền thống,
trong đó có bổ sung các ngăn thiếu khí xen kẽ với các ngăn hiếu khí kết hợp với
hồi lưu nước thải sau xử lý về ngăn xử lý đầu tiên. Quá trình này có thể xử lý
đồng thời chất hữu cơ và nitơ. Q trình nitrat hóa được thực hiện ở ngăn hiếu
khí và quá trình khử nitrat được thực hiện ở ngăn thiếu khí. Gần đây q trình
này càng được cải tiến bằng cách chia dịng vào các ngăn thiếu khí nhằm tận
19
19
1.2.4.
dụng nguồn cacbon trong nước thải cho quá trình khử nitrat để nâng cao hiệu
quả xử lý nitơ.
Phương pháp SBR – bùn hoạt tính theo mẻ
Q trình này được thực hiện theo từng mẻ, trong đó các giai đoạn thiếu
khí (khơng sục khí) và hiếu khí (có sục khí) xảy ra nối tiếp luân phiên trong
cùng một bể phản ứng. Trong giai đoạn hiếu khí, xảy ra q trình nitrat hóa,
amoni được chuyển hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn nitrat hóa. Trong giai đoạn
thiếu khí, nitrat được chuyển hóa thành nitơ tự do nhờ vi khuẩn khử nitrat. Nhờ
vậy mà quá trình này xử lý được cả thành phần dinh dưỡng. Q trình này có thể
ứng dụng cho tất cả các loại nước thải có thể xử lý được bằng phương pháp bùn
hoạt tính.
Đã có nhiều nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn cũng như nhiều loại
nước thải công nghiệp khác (nước thải chế biến thực phẩm, nước thải nhà máy
sữa, nước thải chế biến phomat, nước thải giết mổ gia súc, …) bằng phương
pháp SBR.
Kết quả nghiên cứu của Kim và cộng sự: “Đối với nước thải chăn nuôi
lợn (COD = 1.000mg/l, N-NH4+ = 340mg/l, T-P = 145mg/l) trong khoảng tải
trọng 0,063 – 0,25 kg-COD/m3-ngày với chu trình xử lý 12h cho thấy hiệu suất
xử lý đạt 57,4% - 87,4% đối với COD; 90,8 – 94,7% đối với N-NH 4+” (theo
Kim, J. H., M. Chen., N. Kishida and R. Sudo. 2004. Integrated real time control
strategy for nitrogen removal in swine wastewater treatment using sequencing
batch reactors. Water Research, 38 (14-15), 3340-3348).
Kết quả nghiên cứu của Edgerton và cộng sự: “Đối với nước thải đầu vào
có COD = 4.500 mg/l, N-NH4+ = 250 mg/l, T-P = 383mg/l, với các q trình
yếm khí, hiếu khí, thiếu khí, ở tải trọng 1,18 kg-COD/m 3-ngày, chu trình xử lý
12h cho hiệu quả xử lý là 79%, 99% và 49% tương ứng với COD, N-NH 4+ và TP”( Theo Edgerton, B.D., McNevin, D., Wong, C.H., Menoud, P., Barford, J.P.,
Mitchell, C.A., 1999. Strategies for dealing with piggery effluent in Australia:
the sequencing batch reactor as a solution. Water Sci. Technol. 41 (1), 123–126).
20
20
1.1.2.5.
Phương pháp mương ơxy hóa
Mương ơxy 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 cần diện tích xây dựng lớn. Phương
pháp này được sử dụng khá phổ biến đối với quy mô nhỏ. Nhờ 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 ni có diện tích lớn.
1.2. Tổng quan về phương pháp hấp phụ
1.2.1. Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng
– rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được
gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ được gọi là
chất bị hấp phụ (Bài giảng mơn học Hóa công – Trần Văn Hùng, ĐH Nông Lâm
Thái Nguyên).
Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân
biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
+) Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với các tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van De Walls yếu. Đó là
tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực
định hướng. Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (khơng hình thành liên kết hóa học) mà chất
bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt
chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ khơng lớn.
+) Hấp phụ hóa học
21
21
Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học
với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa
học thơng thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Lực
liên kết này mạnh nên khó bị phá hủy. Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới
giá trị 800 kJ/mol (Bài giảng mơn học Hóa cơng – Trần Văn Hùng, ĐH Nông
Lâm Thái Nguyên).
1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước
Trong môi trường nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và bị hấp phụ rất
phức tạp vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ,
chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp
phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp
nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp
tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính
ưa hay kỵ nước của chất hấp phụ, mức độ kỵ nước của chất bị hấp phụ trong
mơi trường nước.
So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong mơi trường nước thường
có tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ và dung môi
nước với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân tử chất
tan chậm.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng bởi pH của môi
trường. Sự thay đổi pH không chỉ làm thay đổi bản chất chất bị hấp phụ (các
chất có tính chất bazo yếu, axit yếu hay trung tính phân ly khác nhau ở các giá
trị pH khác nhau) mà cịngây ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất
hấp phụ.
Đặc tính của chất hữu cơ trong môi trường nước:
Trong môi trường nước, các chất hữu cơ có độ tan khác nhau. Khả năng
hấp phụ trên VLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn so với các
22
22
chất hữu cơ có độ hịa tan thấp hơn. Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong
nước có thể dự đoán khả năng hấp phụ chúng trên bề mặt VLHP.
Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước ở dạng phân tử trung hịa, ít
bị phân cực. Do đó q trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu
theo cơ chế hấp phụ vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ
thuộc vào: pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…
1.2.3.Động học hấp phụ
Trong mơi trường nước, q trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của
chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai
đoạn kế tiếp nhau:
-
Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn
-
khuếch tán trong dung dịch.
Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt mặt ngoài của chất hấp
-
phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.
Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ -
-
Giai đoạn khuếch tán vào trong mao quản.
Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai
đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết
định hay khống chế tồn bộ q trình hấp phụ.
1.2.4.Cân bằng hấp phụ - Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch. Các phân tử chất bị hấp phụ
khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha
mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn ngày
càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn. Đến thời điểm nào
đó, tốc độ hấp phụ bằng hấp phụ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đã đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ.
G = f (T, P hoặc C)
23
23
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của G
vào P hoặc C (G = fT (P hoặc C)) được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường
đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán
kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số
liệu thực nghiệm.
•
Tốc độ của quá trình hấp phụ
Tốc độ của quá trình hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị thể
tích chất hấp phụ trong một đơn vị thời gian.
dx
r = dt
Nếu coi quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ
theo thời gian thì tốc độ hấp phụ được xác định bằng công thức:
dx
r = dt = k. (Ci – Cf)
Trong đó:
k – Hệ số chuyển khối, tính cho một đơn vị thể tích chất hấp phụ (s-1)
Ci – Nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ (mg/l)
Cf – Nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm t (mg/l)
t – Thời gian tiến hành hấp phụ (s)
•
Độ hấp phụ
Độ hấp phụ là một đại lượng biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lượng của chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng ở một nhiệt độ và
nồng độ xác định.
G=
(Ci − Cf ).V
m
Trong đó:
V – Thể tích dung dịch (l)
24
24
m – Khối lượng chất hấp phụ (mg)
Ci – Nồng độ chất ban đầu (mg/l)
Cf – Nồng độ dung dich khi chất hấp phụ đạt cân bằng (mg/l)
Cũng có thể biểu diễn đại lượng hấp phụ theo khối lượng chất bị hấp phụ trên
một đơn vị diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ
(Ci − Cf ).V
m.S
G=
S – Diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ
•
Các phương trình cơ bản của q trình hấp phụ
Người ta có thể mơ tả một q trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt
hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ mô tả sự phụ thuộc giữa độ hấp phụ tại một
thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch (hay áp
suất riêng phần trong pha khí) tại thời điểm đó. Người ta thiết lập các đường
đẳng nhiệt hấp phụ tại một nhiệt độ nào đó bằng cách cho một lượng xác định
chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất bị
hấp phụ. Sau một thời gian đo nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung
dịch. Lượng chất bị hấp phụ được tính theo cơng thức:
m = (Ci – Cf).V
25
25
