KHẢO sát một số yếu tố ẢNH HƯỞNG đến KHẢ NĂNG xử lý nước THẢI CHĂN NUÔI lợn đã QUA hầm KHÍ SINH học BẰNG KEO tụ điện hóa

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA MÔI TRƯỜNG

Khóa Luận Tốt Nghiệp Cử Nhân Khoa Học Môi Trường

KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN ĐÃ
QUA HẦM KHÍ SINH HỌC BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA

Nguyễn Ngọc Hướng
Khóa 37 (2013 – 2017)

Huế, 5/2017


ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA MÔI TRƯỜNG

Khóa Luận Tốt Nghiệp Cử Nhân Khoa Học Môi Trường

KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN ĐÃ
QUA HẦM KHÍ SINH HỌC BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Ngọc Hướng

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. Phạm Khắc Liệu

BẢN CHỈNH SỬA SAU KHI CHẤM

Huế, 5/2017
2


Lời cảm
ơn
Để hoàn thành khóa luận này, trước hết
tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
Thầy giáo PGS.TS Phạm Khắc Liệu đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá
trình thực hiện khóa luận.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô
trong Khoa Môi Trường, trường Đại Học
Khoa Học Huế đã truyền đạt cho tôi kiến
thức, những kinh nghiệm quý báu trong
suốt bốn năm học vừa qua, cũng như
trong thời gian thực hiện khóa luận. Đặc
biệt, tôi xin cảm ơn chị Phạm Thị Thanh
(Học viên cao học khóa 2015) đã tận tình
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
đề tài khóa luận.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến gia đình và bạn bè đã luôn
động viên, giúp đỡ tôi về cả vật chất và
tinh thần, để tôi hoàn thành được đề tài
khóa luận tốt nghiệp này.

Huế, tháng 5/2017.
Sinh viên
Nguyễn Ngọc Hướng
3


TÓM TẮT
Hầm khí sinh học (KSH) được biết đến như là một trong những phương pháp
thích hợp nhất để xử lý chất thải động vật, nhất là nước thải chăn nuôi lợn ở các
vùng nông thôn ở Việt Nam. Tuy nhiên, nước thải sau hầm KSH vẫn còn chứa hàm
lượng lớn chất rắn lơ lửng, hợp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng, có thể làm suy
giảm chất lượng nước nguồn tiếp nhận. Trong khóa luận này, việc xử lý COD, SS,
màu, TP, NH4-N chứa trong nước thải chăn nuôi lợn sau hầm KSH bằng phương
pháp keo tụ điện hóa đã được nghiên cứu. Nước thải đầu vào có chứa COD với
nồng độ dao động từ 393 – 749 mg/L, SS từ 94 – 438 mg/L, màu từ 2100 – 5840
PCU, TP từ 27,8 – 50,2 mg/L và NH 4-N từ 220,4 – 346,9 mg/L. Hai cặp điện cực
(+)Al|Al(-) và (+)Fe|Al(-) đã được thử nghiệm. Đối với mỗi cặp điện cực, đã tiến
hành khảo sát ở các điều kiện khác nhau, bao gồm: pH, cường độ dòng điện, thời
gian xử lý và khoảng cách giữa hai bản cực. Kết quả cho thấy với cặp điện cực
(+)Al|Al(-) hiệu quả xử lý tốt nhất thu được ở pH = 6, cường độ dòng điện 2,5 A,
thời gian xử lý 25 phút, khoảng cách giữa hai bản cực là 1,5 cm. Hiệu quả xử lý
COD đạt khoảng 80%, SS và màu trên 90% và TP gần như 100%. Riêng NH 4-N,
hiệu quả xử lý không đáng kể chỉ khoảng 10%. Với cặp điện cực (+)Fe|Al(-), hiệu
quả xử lý tốt nhất thu được ở pH = 8, cường độ dòng điện 2,5 A, thời gian xử lý 35
phút, khoảng cách giữa hai bản cực là 1,5 cm. Tuy nhiên hiệu suất xử lý màu, SS,
NH4-N thấp hơn khoảng 10% so với cặp điện cực (+)Al| Al(-).

4

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

5


DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
APHA

American Public Health Association (Hiệp Hội Y Tế
Cộng Đồng Hoa Kỳ)
6


BTNMT

Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

COD

Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxi hóa học)

KSH

Khí sinh học

NH4-N

Nitơ amoni

NTCNL

Nước thải chăn nuôi lợn

PCU

Platinum Cobalt (đơn vị đo màu)

PET

Polyethylene terepphthalate (nhựa PET)

PTN

Phòng thí nghiệm

QCVN

Quy Chuẩn Việt Nam

SS

Suspended Solids (Chất rắn lơ lửng)

TCVN

Tiêu Chuẩn Việt Nam

TP

Tổng Photpho

7


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi đã và đang có sự tăng trưởng
nhanh cả về quy mô và giá trị, đóng góp quan trọng vào việc phát triển kinh tế nông
nghiệp và nông thôn ở nước ta. Trong đó, đặc biệt ngành chăn nuôi lợn đang có
những dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nông hộ sang chăn nuôi trang trại,
công nghiệp; từ chăn nuôi nhỏ lẻ lên chăn nuôi quy mô lớn. Từ đó đáp ứng cơ bản
nhu cầu thực phẩm ngày càng cao của cả nước.
Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, thì ngành chăn nuôi cũng đang
nảy sinh rất nhiều vấn đề về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe của cộng đồng
dân cư địa phương và ảnh hưởng đến cả hệ sinh thái tự nhiên.
Hiện nay, ở Việt Nam nước thải chăn nuôi lợn (NTCNL) chủ yếu được xử lý
bằng hầm khí sinh học (hầm KSH). Tuy nhiên, do tính chất đặc trưng của nước thải
chăn nuôi, sau quá trình này các thành phần gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức
rất cao. Do đó việc tiếp tục xử lý nước thải sau KSH trước khi thải ra môi trường là
hết sức cần thiết. Có nhiều giải pháp kỹ thuật được triển khai nghiên cứu và ứng
dụng, tùy theo quy mô. Một trong số đó là giải pháp xử lý NTCNL bằng phương
pháp keo tụ điện hóa.

Phương pháp này được đặc trưng bởi thiết bị đơn giản, dễ dàng hoạt động,
giảm hoặc không sử dụng hóa chất, cũng như giảm lượng chất kết tủa. Keo tụ điện
hóa đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả cho xử lý nhiều loại nước
thải. Nó đã được thử nghiệm thành công trong xử lý nước thải đô thị, nước thải dệt
nhuộm, nước thải gia cầm, nước rỉ rác, nước thải chế biến , nước thải nhà hàng,
nước thải dệt nhuộm, nước thải nhà máy dầu ô liu, và nước thải giấy tái chế [1].
Mặc dù có một con số nghiên cứu khoa học ấn tượng về xử lý nước thải công
nghiệp bằng keo tụ điện hóa. Tuy nhiên, lại khá ít nghiên cứu được thực hiện trên
đối tượng xử lý là nước thải chăn nuôi, cụ thể là NTCNL sau hầm KSH sử dụng quá
trình keo tụ điện hóa, đặc biệt là các nghiên cứu về xác định các điều kiện tốt nhất
cho quá trình xử lý này.
Xuất phát từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “Khảo sát một số yếu tố
ảnh hưởng đến khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã qua hầm khí sinh học
bằng keo tụ điện hóa” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp.
1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1. Mục tiêu tổng quát
Đề tài được tiến hành nhằm góp phần tìm ra giải pháp phù hợp để xử lý
NTCNL, hoàn thiện hơn hiệu quả môi trường của các công trình KSH.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể


- Có được hệ thống thí nghiệm keo tụ điện hóa quy mô phòng thí nghiệm
(PTN).
- Tìm được các điều kiện tốt nhất để xử lý NTCNL sau khi qua hầm KSH
bằng keo tụ điện hóa của mỗi điện cực (pH, cường độ dòng điện, thời gian xử lý,
khoảng cách giữa hai bản cực).
- Tìm được điện cực thích hợp nhất cho xử lý nước thải sau khi qua hầm

KSH.
1.3.

CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Lắp đặt, vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ điện
hóa dạng mẻ quy mô PTN.
- Đánh giá hiệu quả xử lý NTCNL với hai cặp điện cực (+)Al|Al(-) và (+)Fe|
Al(-) ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau gồm: pH, cường độ dòng điện, thời gian
xử lý, khoảng cách giữa hai bản cực.
- Ở các điều kiện tốt nhất nhất đã xác định được, tiến hành so sánh hiệu quả
xử lý nước thải giữa hai cặp điện cực (+)Al|Al(-) và (+)Fe|Al(-).
1.4.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Quy mô nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện ở quy mô PTN.
- Phạm vi thời gian: từ ngày 20/2/2017 đến 30/4/2017.


Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
2.1.1. Khái niệm và đặc tính nước thải chăn nuôi lợn
2.1.1.1. Khái niệm
Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước
tắm vật nuôi. Chỉ tính riêng với chăn nuôi lợn, nếu trung bình lượng nước thải ra 25
lít/con lợn/ngày thì lượng nước thải ra một năm khoảng 85 triệu m 3, một con số
đáng kể [2].
2.1.1.2. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn
Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và

nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao. Cụ thể:
- Chất hữu cơ:
Trong thành phần chất rắn của nước thải thì thành phần hữu cơ chiếm 70 80% gồm các hợp chất hydrocacbon, proxit, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của
chúng có trong phân và thức ăn thừa. Chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối
clorua, SO42-...
- Nitơ và phốtpho:
Hàm lượng nitơ, phốtpho trong nước thải tương đối cao do khả năng hấp thụ
kém của vật nuôi. Khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo
phân và nước tiểu. Theo thời gian và sự có mặt của oxy mà lượng nitơ trong nước
tồn tại ở các dạng khác nhau NH4-N, NO2-, NO3-.
Phốtpho được sinh ra trong quá trình tiêu thụ thức ăn của vật nuôi, lượng
phốtpho chiếm 0,25 – 1,4%, và một ít trong nước tiểu, xác chết của vật nuôi. Trong
nước thải chăn nuôi phốtpho chiếm tỉ lệ cao, tồn tại ở các dạng orthophotphat
(HPO42-, H2PO4, PO43-), metaphotphat (hay polyphotphat PO43-) và photphat hữu cơ.
- Vi sinh vật:
Vi khuẩn điển hình như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella sp, Shigenla
sp, Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết
lỵ. Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus,
aphtovirus…và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh
trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng hòa nhập vào nguồn nước [2].


Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải chăn nuôi của Viện Công nghệ
Môi trường Hà Nội [3] cho thấy nồng độ chất ô nhiễm ở một số trại lợn khu vực
phía Bắc là rất cao.

Bảng 2.1. Thành phần nước thải ở một số trang trại lợn khu vực phía Bắc [3]
pH

T

COD

(0C)

TN

(mg/L) (mg/L)

NH4-N

TP

SS

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

Vĩnh Phúc

7,32

29

4590

967,3

870

295

9520

Hưng Yên

7,87

30,5

3584

202

158

54,9

1880

Thái Bình

7,3

30

2575

425

425

102

800

Hà Nội

7,5

32

7219

247

237

120

3200

5,5 - 9

40

150

40

10

6

100

QCVN 40:
2011/BTNMT
(cột B)

(Viện Công nghệ Môi trường Hà Nội, 2012)
Từ số liệu trong bảng 1.1 thấy rằng, nước thải chăn nuôi có thành phần ô
nhiễm rất cao, các thông số phân tích hầu hết có giá trị vượt nhiều lần so với Quy
chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT, cột B).
2.1.1.3. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường
Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi phát triển với tốc độ rất nhanh,
đặc biệt là chăn nuôi lợn do nhu cầu về thịt lợn của người tiêu dùng tăng mạnh. Bên
cạnh đấy là việc phát sinh ra các vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng.
Nồng độ chất hữu cơ cao trong NTCNL khi xảy ra quá trình phân hủy sẽ làm
giảm nồng độ ôxy hòa tan trong nước, gây thiếu ôxy cho các quá trình hô hấp của
hệ thủy sinh vật. Quá trình phân hủy chất hữu cơ còn tạo môi trường phân hủy yếm
khí sinh ra các hợp chất độc và những loài tảo độc tác động xấu đến hệ sinh thái
trong vùng. Khi các hệ sinh vật nước bị suy giảm sẽ gây mất cân bằng sinh thái, cản
trở quá trình tự làm sạch của sông, ao hồ. Con người, động vật, thực vật gián tiếp sử
dụng nguồn nước này cũng sẽ bị tác động và ảnh hưởng xấu. Nhiều khu vực chăn
nuôi nước thải vẫn không qua hệ thống xử lý hoặc xử lý không triệt để mà thải trực
tiếp ra môi trường bên ngoài (kênh rạch, sông, ao hay cống thoát nước chung của

khu vực). Gây ô nhiễm môi trường nước, không khí và đất trầm trọng [4].
Ngoài ra, trong phân gia súc, gia cầm còn chứa nhiều loại vi khuẩn, vi trùng
hoặc trứng giun sán. Chúng sẽ là nguồn gây bệnh cho con người cũng như những
động vật khác.


Bên cạnh đó, nước thải chăn nuôi có thể thấm xuống đất vào mạch nước
ngầm gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đặc biệt là những giếng mạch nông gần
chuồng nuôi.
Quá trình chuyển hóa urê trong nước tiểu động vật cũng góp phần đáng kể
trong việc gây ô nhiễm môi trường nước.
Enzyme ureaza
CO(NH2)2 + 2H2O

(NH4)2CO3

2NH3 + CO2 + H2O

Nitrosomonas bacteria
2NO2 + 2H+ + 2H2O

2NH3 + 3O2
Nitro bacteria
2NO2 + O2
NO3

2NO3
N 2O

N2

Trong nước, nồng độ NO3- cao có thể gây độc hại cho con người. Do trong hệ
tiêu hóa, ở điều kiện thích hợp NO3- chuyển thành NO2- có thể hấp thu vào máu kết
hợp với hồng cầu, ức chế chức năng vận chuyển ôxy của hồng cầu [4].
2.1.2. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam
2.1.2.1. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới
Việc xử lý NTCNL đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát triển từ
cách đây vài chục năm. Các công nghệ áp dụng cho xử lý nước thải chăn nuôi có tải
trọng ô nhiễm cao trên thế giới chủ yếu là các phương pháp sinh học do chúng có
tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện tự nhiên. Ở các nước phát triển, quy
mô trang trại hàng trăm hecta, trong trang trại ngoài chăn nuôi lợn quy mô lớn (trên
10.000 con lợn), phân lợn và chất thải lợn chủ yếu làm phân vi sinh và năng lượng
biogas cho máy phát điện, nước thải chăn nuôi được sử dụng cho các mục đích
nông nghiệp [2].
Công nghệ đất ngập nước là công nghệ xử lý nước thải áp dụng các điều
kiện tự nhiên, thân thiện môi trường. Công nghệ đất ngập nước đạt được những kết
quả tốt trong việc xử lý COD, BOD5, TSS, hiệu suất đạt được khá cao (trên 90%) .
Tuy nhiên, các thành phần dinh dưỡng như N, P, hệ thống vẫn chưa xử lý được triệt
để và cần phải có thời gian lưu nước dài. Ngoài ra, công nghệ này còn có nhược
điểm là đòi hỏi diện tích đất lớn, mà điều này chắc chắn là không mong muốn đối
với các chủ trang trại, thậm chí là bất khả thi trong tình hình áp lực về đất đai hiện
nay [5].
Phương pháp kết tủa struvite với nồng độ MgSO4 1000 – 1500 mg/L, trong
môi trường kiềm có thể loại bỏ đồng thời cả amoni và phosphat. Hiệu suất loại bỏ
phosphat cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 9, trong khi đó, hiệu suất loại bỏ
amoni cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 11. Ưu điểm của phương pháp này là
có thể tạo ra sản phẩm phân bón. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là lượng
MgSO4 sử dụng quá lớn, làm tăng chi phí xử lý [5].

Ngoài ra, xử lý P trong NTCNL bằng phương pháp keo tụ đã được sử dụng
phổ biến, dựa trên nguyên tắc kết tủa phôtphat (đơn và một phần loại trùng ngưng)
với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có độ tan thấp và chúng
được tách dưới dạng chất rắn.
10Ca2+ + 6PO43- + 2OH-

Ca10(PO4)6(OH)2

Al3+ + HnPO43-n

AlPO4 + nH+

Fe3+ + HnPO43-n

FePO4 + nH+

Các hóa chất keo tụ phổ biến là muối nhôm Al 2(SO4)3, vôi Ca(OH)2, muối sắt
FeSO4, FeCl2 và ZrCl4. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này đó là làm tăng chi
phí do phải xử lý lượng bùn kết tủa và chi phí hóa chất sử dụng [5].
Kỹ thuật phân hủy yếm khí từ lâu đã được áp dụng để xử lý NTCNL. Phương
pháp này cho thấy hiệu quả xử lý và kinh tế hơn các phương pháp truyền thống như
sử dụng vùng đất ngập nước, chôn lấp hoặc hóa lý, hệ thống hiếu khí. Nhìn chung,
việc sử dụng phương pháp sinh học yếm khí đã làm giảm thiểu đáng kể BOD 5,
COD và SS trong nước thải chăn nuôi. Tuy nhiên, các thành phần gây ô nhiễm môi
trường như N, P vẫn còn ở mức cao và cần phải được xử lý tiếp trước khi thải ra
môi trường [5].
Một số mô hình xử lý hiếu khí và thiếu khí kết hợp đã được nghiên cứu áp
dụng trong việc xử lý nước thải chăn nuôi như hệ thống aeroten, hệ aeroten hoạt
động gián đoạn SBR, hệ thiếu khí kết hợp hiếu khí, yếm khí kết hợp hiếu khí (AO)
và hệ yếm khí, thiếu khí kết hợp hiếu khí (A 2O). Qua các kết quả nghiên cứu nhận

thấy nhược điểm của các phương pháp là khi tải lượng chất ô nhiễm đầu vào tăng
cao thì nước thải sau xử lý không giảm được triệt để chất ô nhiễm. Ngoài ra, việc
tách bùn rất khó thực hiện, đặc biệt là khi nồng độ bùn hoạt tính trong bể lớn, và
bùn dễ bị rửa trôi gây xáo trộn mật độ vi sinh trong bể, ảnh hưởng đến hiệu suất xử
lý [5].
2.1.2.2. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi tại Việt Nam
Hiện nay có thể nói ở nước ta chưa có quy trình hoàn thiện nào được công bố
để xử lý nước thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn xả thải. NTCNL từ các trang trại chủ
yếu mới chỉ được xử lý bằng hầm KSH và hồ sinh học. Các phương pháp này mới
chỉ xử lý được chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng, tuy nhiên yêu cầu thời gian lưu dài
(20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn [5].
Một nghiên cứu về hiệu quả xử lý NTCNL bằng hầm KSH quy mô hộ gia
đình ở Thừa Thiên Huế cho thấy việc sử dụng hầm KSH để xử lý NTCNL đã làm
giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm. Trung bình, COD giảm 84,7%, BOD 5 giảm
76,3%, SS giảm 86,1%, VSS giảm 85,4%, TKN giảm 11,8%, TP giảm 7,0% và
Fecal coliform giảm 51,2%. Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải
đầu ra vẫn còn khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 24:2009/BTNMT, cột B,
TCN 678 - 2006). Đặc biệt đáng quan tâm là nồng độ các chất dinh dưỡng ở các
mẫu này rất cao, tiềm ẩn nguy cơ gây phú dưỡng khi xả thải vào các vực nước mặt.
Do dó việc tiếp tục xử lý nước thải sau hầm KSH là hết sức cần thiết [6].


Ngoài ra, các phương pháp xử lý khác như phương pháp sử dụng thực vật
thủy sinh, yếm khí UASB, yếm khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí bằng
aeroten... đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu và tỏ ra có hiệu quả nhưng
hầu hết mới chỉ dừng lại ở thực nghiệm, đề xuất về lý thuyết hoặc ứng dụng nếu có
chỉ ở qui mô nhỏ lẻ [5].
Chính vì vậy có thể thấy rằng ở nước ta, một thực trạng là vấn đề xử lý
nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua hoặc bằng các biện pháp đơn lẻ,
không hiệu quả và bền vững. Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một

cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ
phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng
với nguồn nước thải đặc thù này. Nói cách khác các mô hình xử lý nước thải chăn
nuôi hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt
được các tiêu chuẩn thải theo quy định của ngành chăn nuôi.
Nhìn chung, việc quản lý NTCNL đang gặp nhiều khó khăn. Vì vậy cần có
nhiều biện pháp tích cực kết hợp để quản lý và khắc phục vấn đề môi trường do
chất thải chăn nuôi gây ra.
2.2. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA
2.2.1. Giới thiệu chung về keo tụ điện hóa
Trong những năm gần đây, keo tụ điện hóa (Electrocoagulation) đã được
nghiên cứu như là một kỹ thuật thay thế cho các quy trình xử lý nước thải truyền
thống. Kỹ thuật này là một phương pháp dựa trên sự keo tụ, tạo bông của các chất ô
nhiễm ở dạng nhũ tương hoặc hoà tan trong môi trường nước, trong đó dưới tác
dụng của dòng điện thì các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị
ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al 3+ hoặc Fe3+) vào
trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt
khí ở cực âm [7].
Kỹ thuật keo tụ điện hóa đã được áp dụng cho một số loại nước thải: dệt
nhuộm, nước rỉ bãi rác, huyền phù sét và nước rỉ axit của đất bị nhiễm kim loại
nặng. Các kết quả xử lý nước thải đã chỉ ra rằng quá trình keo tụ điện hóa hiệu quả
để loại bỏ một loạt các chất gây ô nhiễm: tải trọng hữu cơ và kim loại độc hại như
đồng, crôm, thủy ngân, chì, cadmium và một số trường hợp để loại bỏ tảo và vi sinh
vật, làm giảm độ đục và màu của nước thải [7].
Một mô hình điện hóa cơ bản thường bao gồm nguồn điện, các điện cực và
bình phản ứng như hình 2.1.


Hình 2.1. Mô hình điện hóa cơ bản.
2.2.2. Đặc điểm của phương pháp keo tụ điên hóa

Theo Ramesh Babu [8], phương pháp keo tụ điện hóa có các đặc điểm sau
đây:
- Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện
một chiều.
- Các điện cực dương được sử dụng thường là bằng nhôm hoặc sắt. Tùy vào
giá trị pH và đặc tính của nước thải ở từng trường hợp cụ thể mà xác định xem điện
cực nào là cực dương, điện cực nào là cực âm.
- Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận
hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau.
- Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước thải, để đảm bảo khả năng tiếp
xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất.
- Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước thải đầu
vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần (theo
mẻ).
- Keo tụ điện hóa là phương pháp giao thoa giữa ba quá trình: điện hóa học,
keo tụ, tuyển nổi điện phân.
2.2.3. Cơ chế keo tụ điện hóa
2.2.3.1. Cơ chế chung
Cơ chế chung của quá trình điện hóa như ta đã biết là sử dụng dòng điện một
chiều, quá trình oxi hóa và khử sẽ xảy ra ở catot và anot. Theo [9], các quá trình xảy
ra ở hai cực anot và catot như sau:
Ở anot: Trên anot xảy ra quá trình oxi hóa anion hoặc OH hoặc chất làm

anot.
-

-

- Nếu thế phóng điện của anion và OH (cặp OH /O2) lớn hơn thế cân bằng
của kim loại làm anot thì anot sẽ tan ra (quá trình này sẽ được ứng dụng trong

phương pháp đông tụ điện hóa).
M – ne = Mn+
- Trong trường hợp ngược lại thì anot không tan và khi đó ở anot sẽ xảy ra
quá trình oxi hóa của anion hoặc OH-.
- Thường thì thứ tự phóng điện của các anion như sau: đầu tiên là các anion
không chứa oxi S2-, I-, Br-, Cl- ... sau đó mới đến OH- và cuối cùng mới đến các
anion chứa oxi.
- Anot thường làm bằng các vật liệu không hòa tan, và có tính chất điện phân
như: graphit, macnetit, dioxyt chì, dioxyt mangan,...


Ở catot:
Khi cho dòng điện đi qua dung dịch thì cation và H + sẽ tiến về bề mặt catot.
Nếu thế phóng điện của cation lớn hơn của H + thì cation sẽ thu electron của catot
chuyển thành các ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực.
n+

n-m

M + me = M
n+

M

( n >m)

+ ne = M

Ngược lại thì: 2H3O+ + 2e = H2 + 2H2O
Catot thường được làm bằng molipden, hợp kim của vonfram với sắt hay

niken, từ than chì (graphit), thép không rỉ, và các kim loại khác được phủ lớp
molipden, vonfram hay hợp chất của chúng.
Có thể được tóm tắt quá trình loại bỏ chất ô nhiễm bằng điện hóa qua các
bước sau, chúng được cụ thể hóa trong hình 2.2.
(1). Oxy hóa điện cực anot và giải phóng các cation kim loại vào trong dung
dịch.
(2). Các electron di chuyển và tạo dòng điện, tạo ra sự di chuyển của các ion
điện tích và chất keo bẩn theo hướng ngược lại làm mất ổn định của điện tích trong
dung dịch.
(3). Sự va chạm và tương tác giữa các phần tử di chuyển tạo ra sự keo tụ.
(4). Sự hút bám các chất rắn, chất keo và các chất bẩn khác ở các thành phần
keo tụ, tạo thành các cặn lớn hơn.
(5). Sự phân tách các bông cặn bởi quá trình lắng hoặc tuyển nổi do các bọt
khí hydro tạo ra từ catot.

Hình 2.2. Sơ đồ các phản ứng chính trong quá trình điện hóa.
2.2.3.2. Cơ chế với điện cực sử dụng Fe hoặc Al làm anot


Theo Holt [10], khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực
dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Do đó, các điện cực dương được làm
bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ giải phóng ra các cation (Fe 3+ hoặc Al3+).
Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải.
Những cation (Fe3+ hoặc Al3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl và tạo
thành các hidroxit (Al(OH)3, Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý
nước thải. Các chất keo tụ này sẽ tác dụng vào các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước
và liên kết với nhau tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn [11].
Bên cạnh đó, việc các phản ứng điện phân đã xảy ra và tạo ra các bọt khí tại
cực âm. Các bọt khí này thường là khí H 2 và chúng có xu hướng đi lên mặt thoáng
của bể keo tụ điện hoá. Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các

bông keo đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể.
Trong khi đó, các bông keo có kích thước lớn và nặng hơn thì sẽ lắng xuống
phía dưới đáy bể. Trên quỹ đạo lắng của các bông cặn này chúng sẽ va chạm và kết
cụm với các bông cặn khác, như thế quá trình lắng sẽ diễn ra tốt hơn [12]. Nước thải
sau xử lý sẽ được thu hồi sau các quá trình này (lắng và tuyển nổi).
 Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực
• Các phản ứng chính:
Các điện cực làm bằng sắt hoặc nhôm sinh ra các chất keo tụ vào trong
nước. Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm, dưới tác dụng
của dòng điện thì anot sắt và nhôm sinh ra các cation hòa tan theo công thức (1) và
(2):
Xảy ra quá trình oxi hoá Al, Fe tạo thành ion Fe2+ (hoặc Fe3+) và Al3+
Fe (rắn) →

Fen+

(dung

dịch)

ne-

+

(1)
Al (rắn)

→

Al3+ (dung dịch) + 3e-

(2)
Khi phản ứng điện hóa xảy ra ở môi trường lỏng, điện cực sắt có thể hòa tan
2+
3+
3+
2+
thành Fe hoặc Fe , riêng điện cực nhôm chỉ tạo thành Al . Fe có thể bị oxy hóa
3+
tiếp thành Fe theo công thức (3) nếu thế oxy hóa khử và pH phù hợp. Để đạt tốc
độ phản ứng thích hợp, cần có oxy và pH trung tính hoặc kiềm.
2+

4Fe (dung dịch) + 10H2O + O2 → 4Fe(OH)3 (rắn) + 8H
(3)

+

• Các phản ứng phụ:
Bên cạnh các sản phẩm sắt và nhôm hòa tan, các phản ứng điện hóa khác
cũng xuất hiện ở trong hệ thống điện hóa. Chúng bao gồm:
- Sự hình thành hydro ở catot theo công thức (4) – (6).
2H2O + 2e- → 2OH- + H2↑

(4)

2H+ + 2e- → H2↑

(5)

Ở pH cao, nhôm hòa tan thành aluminat:
-

-

2Al + 6H2O + 2OH (dung dịch) → 2[Al(OH)4] (dung dịch) + 3H2↑

(6)

-

- pH trên bề mặt catot tăng do sự hình thành OH theo công thức (4) hoặc bởi
quá trình tiêu thụ ion/ proton H+ theo công thức (5).
- Quá trình khử kim loại xảy ra ở catot.
 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc vận hành bể keo tụ điện hóa
Theo Trần Hiếu Nhuệ [11], các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động
của bể keo tụ điện hoá:
- Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá trình
thủy phân. Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn
chế. Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 -7,5.
Đối với trường hợp cực tan là sắt thì phản ứng xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết
tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5.
- Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan): tốt nhất là các điện cực dương
bằng nhôm hay sắt, còn điện cực âm thì là kim loại khác nhôm hoặc sắt và phải
đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa.
- Mật độ dòng tỷ lệ với số lượng phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt điện
cực. Mật độ dòng được xác định theo công thức (7):
J = (mA/cm2)

(7)

Trong đó:
I: cường độ dòng diện qua điện cực (mA)
S: diện tích diện cực (cm2).
J: đại lượng đặc trưng cho tốc độ phản ứng điện hóa, mật độ dòng.
- Thời gian phản ứng hoặc điện tích thêm vào trên một đơn vị thể tích tỷ lệ
với lượng bông cặn sinh ra trong hệ thống điện hóa và các phản ứng khác xảy ra
trong hệ thống.
- Thế điện hóa quyết định loại phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực.
- Nồng độ ô nhiễm ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý (các loại nước thải có
thành phần như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao).
- Nồng độ anion: như sulphate hoặc flouride, ảnh hưởng đến cấu trúc của
hydroxit bởi vì chúng có thể thay thế các ion hydroxit trong quá trình kết tủa.
- Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ
xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Độ đục của nước càng cao,
thì ảnh hưởng của nước càng rõ rệt. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng cực tan
là nhôm vào khoảng 20 - 400C, tốt nhất là 35 - 400C . Đối với cực tan là sắt thì khi
thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 0 0C vẫn
có thể dùng phèn sắt làm chất keo tụ.


- Các thông số khác: như điều kiện thủy động và khoảng cách các điện cực,
có thể ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và lượng điện tiêu thụ.
2.2.4. Ưu, nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa
2.2.4.1. Ưu điểm:
Theo Holt [10], phương pháp keo tụ điện hoá có các ưu điểm sau:
- Thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ dàng vận hành.
- Bông cặn được hình thành dễ dàng, có khả năng cô đặc bùn tốt.
- Có thể loại bỏ nhiều thành phần khác nhau trong nước thải như: chất rắn lơ

lửng nhỏ, độ màu, độ đục, kim loại nặng… có trong nước thải.
- Có thể loại bỏ khoảng 95-99% các kim loại nặng trong nước thải.
- Bọt khí sinh ra trong quá trình tuyển nổi nâng theo các chất lơ lửng, bông
cặn lên bề mặt bể để loại bỏ dễ dàng bằng các thiết bị gạt váng.
- Có thể loại bỏ được các ion hòa tan trong nước thải và tạo thuận lợi cho quá
trình keo tụ.
- Không sử dụng hóa chất nên không gây dư thừa hóa chất rồi tốn hóa chất
khác để trung hòa.
2.2.4.2. Nhược điểm:
- Hiện tại rất ít đề tài nghiên cứu về phương pháp này, phụ kiện phục vụ
cho ngành điện hóa để nghiên cứu chưa có.
- Thiết bị điện hóa chưa có, đa số là thiết bị ngoại nhập; qui mô điện hóa
thường áp dụng ở mô hình nhỏ.
- Thiết bị điện cực của điện hóa hay bị thụ động sau thời gian phản ứng.
- Keo tụ điện hóa là quá trình dị thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc nhiều vào
thành phần dung dịch và mật độ dòng điện. Dung dịch dẫn điện kém nên tiêu tốn
năng lượng và chất dẫn điện.


Chương 3
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu trong khóa luận này là NTCNL đã qua hầm KSH từ
trang trại chăn nuôi lợn Agri (quy mô 6000 con) ở huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa
Thiên Huế.
3.2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.2.1. Hệ thống thí nghiệm keo tụ điện hóa
Hệ thống thí nghiệm keo tụ điện hóa quy mô PTN sử dụng trong khóa luận được
mô tả ở hình 3.1.


Nguồn điện

Ống hút mẫu
Máy điều chỉnh

sau xử lý

Anot
Catot

cường độ dòng điện
Máy điều chỉnh
Tốc độ khuấy

Hình 3.1. Hình ảnh hệ thống thí nghiệm keo tụ điện hóa.
- Một số bộ phận và thiết bị chính của hệ thống thí nghiệm như sau:
+ Bể phản ứng là cốc thủy tinh thể tích 1L (trong đó thể tích nước thải thí
nghiệm là 800 mL).
+ Các bản cực được chế tạo với kích thước đồng nhất 9 cm x 2,5 cm x 0,2
mm.
+ Máy khuấy từ Wisestir MSH - 20A, tốc độ khuấy tối đa là 1.500
vòng/phút. Khi bắt đầu keo tụ điện hóa, tiến hành khuấy với tốc độ 300 – 450
vòng/phút trong 10 – 15 phút đầu nhằm khuấy trộn, phân bố đều các cấu tử keo tụ

trong cốc, đồng thời phá vỡ sự ổn định của các hệ keo trong nước thải. Sau đó tắt
máy khuấy, để quá trình keo tụ, tạo bông diễn ra tự nhiên và quá trình lắng, tuyển
nổi được hiệu quả.
+ Bộ điều chỉnh dòng điện: được chế tạo theo đơn đặt hàng tại Trường Cao
Đẳng Công Nghiệp Huế, hiệu điện thế tối đa là 35 V. Nguyên tắc điều chỉnh: thay
đổi giá trị hiệu điện thế thông qua việc sử dụng nút xoay trên thiết bị để điều chỉnh
cường độ dòng điện đến giá trị cần khảo sát.
3.2.2. Bố trí thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: pH, cường độ dòng
điện (hay chính là mật độ dòng điện), thời gian xử lý, khoảng cách giữa hai bản cực
đến hiệu quả xử lý.


- Các dãy thí nghiệm theo từng yếu tố khảo sát được mô tả tóm tắt ở bảng
3.1.
Bảng 3.1. Mô tả bố trí các dãy thí nghiệm
Các mức giá trị thay
đổi

Yếu tố khảo sát
(+)Al|Al(-)

4±0,2; 5±0,2; 6±0,2 và
7±0,2.

(+)Fe|Al(-)

6±0,2; 7±0,2; 8±0,2 và
9±0,2.

(+)Al|Al(-)

0,5 A; 1 A; 2 A; 3 A.

(+)Fe|Al(-)

1 A; 1,5 A; 2 A; 2,5 A,
3 A.

(+)Al|Al(-)

20 phút; 25 phút; 30
phút; 35 phút.

(+)Fe|Al(-)

20 phút; 25 phút; 30
phút; 35 phút; 40 phút.

pH

Cường độ
dòng điện,
I (A)
(hay mật độ
dòng điện)
Thời gian
xử lý,
T (phút)

Khoảng cách giữa hai bản
cực, d (cm)

Các điều kiện
thí nghiệm khác
I = 1 A,
T = 30 phút,
d = 1,5 cm.

pH chọn ở trên,
T = 30 phút,
d = 1,5 cm.

pH và I chọn ở trên,
d = 1,5 cm.
pH, I và T chọn
ở trên.

1,5 cm; 3 cm và 4,5 cm.

- Tiến hành các dãy thí nghiệm tương tự lần lượt trên từng cặp điện cực
(+)Al|Al(-) và (+)Fe|Al(-).
- Ở mỗi thí nghiệm, lấy mẫu nước trước và sau xử lý, đo pH và phân tích để
đánh giá hiệu quả loại màu, SS, COD, NH4-N, và TP.
- Lặp lại 2-3 lần cho mỗi thí nghiệm và lấy giá trị trung bình.
- Ở mỗi dãy thí nghiệm, sử dụng cùng một mẫu nước thải đầu vào – là
NTCNL sau hầm KSH đã để lắng tự nhiên ít nhất 12h, gạn lấy phần trên.
- Mỗi dãy thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ ở hình 3.2.
TN
1

3

TN
2
2
Giá trị

TN
3
1

TN
1
3

TN
2
2
Giá trị

Yếu tố khảo sát

TN
3
1

TN
1
3

TN
2
2
Giá trị

TN
3
1

TN
1
3

TN
2
2
Giá trị

TN
3
1


Hình 3.2. Sơ đồ bố trí mỗi dãy thí nghiệm.
3.2.3. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
3.2.3.1. Mẫu nước thải đầu vào thí nghiệm
- Các mẫu nước thải được lấy theo TCVN 5999:1995 [13].
- Mẫu nước thải đầu vào lấy tại hồ sinh học số 1 sau hầm KSH. Vị trí lấy
mẫu được mô tả ở hình 3.3.

Hình 3.3. Vị trí lấy mẫu nước thải – Hồ sinh học số 1 sau hầm KSH.
- Thời gian lấy mẫu: đã có 5 đợt lấy mẫu với thời gian và điều kiện thời tiết
cho ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thông tin các đợt lấy mẫu
Đợt 1
(21/2/2017
)

Đợt 2

Đợt 3

Đợt 4

Đợt 5

(2/3/2017)

(12/3/2017)

(21/3/2017)

(27/3/2017)

Thời gian

14g45

13g45

10g30

10g00

11g00

Thời tiết

Trời nắng

Trời mưa
nhỏ

Trời râm

Trời nắng

Trời mưa
nhỏ

- Mẫu được chứa trong chai nhựa PET (30 Lít), được bảo quản lạnh trong
quá trình vận chuyển và lưu giữ trong tủ lạnh ở PTN.
- Đối với một dãy thí nghiệm (xác định giá trị tốt nhất với một thông số),
mẫu nước thải được lấy cùng ngày, cùng giờ và cùng địa điểm được sử dụng.


3.2.3.2. Mẫu nước thải sau thí nghiệm xử lý
- Ở tất cả các thí nghiệm, mẫu nước thải sau xử lý được để lắng 10 phút,
trước khi được hút ra bằng ống bóp cao su thông qua ống nhựa đã đặt sẵn ở trong
cốc (nhằm hạn chế quá trình khuấy trộn khi lấy mẫu). Thể tích mẫu lấy ra là 300

mL.
- Mẫu sau đó được lưu giữ trong các ống nhựa ly tâm và được bảo quản
trong tủ lạnh.
3.2.4. Phương pháp phân tích mẫu
- Các thông số đều được phân tích theo các phương pháp tiêu chuẩn của
APHA tại PTN Môi trường cơ sở, Khoa Môi trường (trừ thông số màu được đo tại
PTN trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế).
- Phương pháp phân tích các thông số được mô tả ở bảng 3.3.

Bảng 3.3. Tóm tắt các phương pháp phân tích mẫu
Tài liệu

Thông
số

Phương pháp phân tích

pH

Đo thế dùng điện cực thủy
tinh

- ECO Sense pH100A.

Hướng dẫn
của nhà sản
xuất

COD

Bicromat - Trắc quang

- Spectrophotometer

[14]

(SMEWW 5220 D)

GENESYS 10S UV-VIS.

Thiết bị

- Máy phân hủy mẫu

tham khảo


VELP ECO 25.
SS
NH4-N

TP

Trọng lượng

- Cân phân tích SARTORIUS.

(SMEWW 2540 D)

- Bộ lọc chân không.

Trắc quang với thuốc thử

- Spectrophotometer

OPP

GENESYS 10S UV-VIS.

(SMEWW4500.P.B&E:2012)

Đo quang

[15]

- Spectrophotometer

Phương pháp Persulfat

GENESYS 10S UV-VIS.

[14]

- Bếp đun.
- Sử dụng máy đo màu HI

Màu

[14]

83099, Hãng HANNA
INSTRUMENTS.

Hướng dẫn
của nhà sản
xuất

3.2.5 Phương pháp xử lý số liệu
- Các số liệu thu nhận từ thí nghiệm được xử lý, tính toán bằng phần mềm
MS Excel.

Chương 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. ĐẶC ĐIỂM NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU HẦM KHÍ SINH HỌC
Về cảm quan, tất cả các mẫu nước thải sau hầm KSH từ trang
trại Agri đều có màu đen sẫm, mùi hôi. Hình 4.1 cho thấy, màu sắc
đen sẫm của một mẫu nước thải đầu ra sau hầm KSH.