Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng (Luận án tiến sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN SÁNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC
KẾT HỢP LỌC MÀNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN SÁNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC
KẾT HỢP LỌC MÀNG
CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC
MÃ SỐ: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Trần Văn Quy
2. TS. Trần Hùng Thuận

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự
hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Khoa học và Công nghệ “Nghiên
cứu chế tạo môđun màng lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý
nước thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng Thuận làm chủ
nhiệm đề tài, mà trong đó tôi là thành viên tham gia và đã
trực tiếp thực hiện. Các kết quả trong luận án này là trung
thực và đã được chủ nhiệm đề tài TS. Trần Hùng Thuận cho
phép sử dụng.

Tác giả luận án

Nguyễn Sáng


LỜI CẢM ƠN
Tôi cảm ơn sâu sắc PGS. TS. Trần Văn Quy – Giảng viên
cao cấp Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Trần Hùng Thuận –
Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng
Công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ, đã hướng dẫn tận
tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện
luận án.
Tôi cảm ơn TS. Chu Xuân Quang – Trưởng phòng Công
nghệ và Vật liệu môi trường, các đồng nghiệp Trung tâm
Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, đã luôn quan

tâm, chia sẻ và góp ý về chuyên môn, cũng như động viên tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi gửi lời tri ân tới quý thầy, cô giáo bộ môn Công nghệ
Môi trường cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong và ngoài
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cơ quan bố mẹ và
gia đình tôi … đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn
thành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và học tập.
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Tác giả luận án

Nguyễn Sáng


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 14
1.1. Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam..................................................... 14
1.2. Khối lƣợng và đặc tính nƣớc thải chăn nuôi ...................................................... 15
1.3. Ảnh hƣởng của chất thải chăn nuôi đến môi trƣờng ........................................ 19
1.4. Các nghiên cứu xử lý nƣớc thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam ......... 19
1.4.1.

Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới .............................19

1.4.2.

Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam ..............................32

1.5. Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng .......................................................... 36
1.5.1.

Các giai đoạn xử lý ..........................................................................................36

1.5.2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lọc của màng lọc ...............................41

1.5.3.

Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc và giải pháp làm sạch màng lọc ..............45

1.6. Hiện trạng ứng dụng công nghệ MBR ở Việt Nam ........................................... 48
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 52
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu........................................................................................... 52
2.1.1. Nước thải chăn nuôi lợn ....................................................................................52
2.1.2. Môđun màng lọc .................................................................................................52
2.1.3. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ...................................................53
2.2. Phạm vi, quy mô nghiên cứu ............................................................................... 53
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................... 53
2.3.1. Phương pháp luận nghiên cứu..........................................................................53
2.3.2. Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu ........................................................53
2.3.3. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu ........................................54
2.3.4. Xác định thành phần, đặc tính nước thải chăn nuôi lợn ................................56

1


2.3.5. Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính .....................................56
2.3.6. Lắp ghép môđun màng lọc polyme....................................................................57
2.3.7. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tắc nghẽn màng lọc...........................62
2.3.8. Khảo sát xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý
nước thải chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm..............................................................66
2.3.9. Khảo sát các điều kiện vận hành mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp
lọc màng quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi....................................71
2.3.10. Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống
khi vận hành với các điều kiện đã lựa chọn....................................................................72
2.3.11. Tính toán sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng .................................73
2.3.12. Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc ......................................................73
2.3.13. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu...........................................................73
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 75
3.1. Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu..................................... 75
3.2. Sự thích nghi và đặc tính bùn hoạt tính ............................................................. 76
3.3. Ảnh hƣởng của một số các yếu tố vận hành lọc đến quá trình tắc màng ....... 82
3.3.1. Ảnh hưởng của vật liệu màng lọc dạng tấm phẳng.........................................82
3.3.2. Ảnh hưởng của hình thái môđun màng lọc sợi rỗng ......................................84
3.3.3. Ảnh hưởng của cường độ sục khí .....................................................................86
3.3.4. Ảnh hưởng của năng suất lọc ...........................................................................88
3.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính ............................................................90
3.4. Xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng xử lý nƣớc thải
chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm ......................................................................... 92
3.4.1. Lựa chọn thời gian lưu nước các bể theo kiểu mẻ ..........................................92
3.4.2. Xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí
nghiệm 96

3.5. Ảnh hƣởng của các điều kiện vận hành mô hình hệ thống đến hiệu quả xử lý
98
3.5.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào ...................................................................98

2


3.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tuần hoàn nước đến hiệu quả xử lý nitrat .........103
3.6. Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học kết
hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm ................................................................. 107
3.6.1. Khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình hệ thống sinh học kết
hợp lọc màng....................................................................................................................109
3.6.2. Năng xuất xử lý và tải lượng COD, NH4+ của mô hình hệ thống ................123
3.6.3. Khả năng loại bỏ chất rắn và vi khuẩn ...........................................................127
3.7. Sản lƣợng bùn dƣ trong hệ thống lọc màng .................................................... 128
3.8. Quá trình lọc màng và xử lý tắc nghẽn màng lọc ............................................ 131
3.8.1. Quá trình lọc màng và hiện tượng tắc nghẽn màng lọc ................................131
3.8.2. Phương pháp khắc phục tắc nghẽn màng lọc ................................................133
3.9. Tính toán chi phí và khả năng ứng dụng mô hình hệ thống sinh học kết hợp
lọc màng vào xử lý nƣớc thải chăn nuôi .................................................................. 136
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 139
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ......................................................................................................... 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 142
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 151

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AO

Yếm khí kết hợp hiếu khí (Anaerobic Oxic)

AUBF

Bể với giá thể yếm khí dòng chảy ngược (Anaerobic
Upflow Bed Filter)

Anammox

Phản ứng ôxy hóa yếm khí amoni (Anaerobic Ammonium
Oxdation)

BNNPTNT

Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

BOD

Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

BHT

Bùn hoạt tính

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD

Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO

Ôxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

HRT

Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)

JICA

Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International
Cooperation Agency)

MBR

Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrane Bioreactor)

MLSS

Nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp chất
lỏng/rắn/huyền phù (Mixed Liquor Suspended Solids)

MLVSS

Nồng độ chất rắn dễ bay hơi trong hỗn hợp chất lỏng/rắn/
huyền phù (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)

Ncs

Nhóm cộng sự

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

SBR

Bể phản ứng hoạt động theo mẻ kế tiếp (Sequencing Batch
Reactor)

4


SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

SRT

Thời gian lưu bùn (Solid Retention Time)

SVI

Chỉ số thể tích lắng của bùn (Sludge Volume Index)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TN

Tổng nitơ

TP

Tổng phôtpho

UASB

Bể với lớp bùn yếm khí dòng chảy ngược (Upflow
Anaerobic Sludge Blanket)

VSV

Vi sinh vật

XLNT

Xử lý nước thải

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Sự thay đổi về số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2012 – 2015 ........... 14
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100 kg ............................... 16

Bảng 1.3. Thành phần hóa học của nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg .... 17
Bảng 1.4. Hiệu suất xử lý của hệ thống đất ngập nước Cooper County Hog Farm,
Australia ............................................................................................................... 20
Bảng 1.5. Hiệu suất và tải lượng xử lý của hệ thống đất ngập nước ở Leping,
Trung Quốc .......................................................................................................... 21
Bảng 2.1. Đặc điểm các loại vật liệu màng .......................................................... 52
Bảng 2.2. Phương pháp phân tích và thiết bị sử dụng ......................................... 55
Bảng 3.1. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sử dụng trong nghiên cứu ............. 75
Bảng 3.2. Độ bền kéo của các loại vật liệu màng ................................................ 83
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể yếm khí đến hiệu quả xử lý
COD ..................................................................................................................... 93
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể hiếu khí đến hiệu quả xử lý
COD và NH4+-N ................................................................................................... 94
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước trong bể thiếu khí......................... 95
đến hiệu quả xử lý NO3- - N và COD.................................................................. 95
Bảng 3.6. Lưu lượng đầu vào các bể .................................................................... 99
Bảng 3.7. Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các lưu lượng đầu vào
khác nhau.............................................................................................................. 99
Bảng 3.8. Lưu lượng vào các bể với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau ......... 104
Bảng 3.9. Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các tỷ lệ tuần hoàn
nước khác nhau .................................................................................................. 105
Bảng 3.10. Mật độ coliform trước và sau khi xử lý ........................................... 127
Bảng 3.11. Độ đục của nước thải trước và sau khi xử lý ................................... 127
Bảng 3.12. Áp suất qua màng sau khi ngâm màng với các nồng độ NaOCl khác
nhau .................................................................................................................... 134

6


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Mô hình Ludzack – Ettinger ................................................................ 26
Hình 1.2. Mô hình Bardenpho.............................................................................. 26
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống Nix-MBR-HT.............................................................. 30
Hình 1.4. Sơ đồ quy trình công nghệ MBR trong xử lý nước thải ...................... 40
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát phương pháp nghiên cứu ........................................... 54
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống nuôi bùn hoạt tính hiếu khí ......................................... 57
Hình 2.3. Môđun màng tấm phẳng đã được lắp ghép .......................................... 58
Hình 2.4. Khung đầu gắn màng và đĩa đục lỗ ...................................................... 59
Hình 2.5. Môđun màng sợi rỗng .......................................................................... 60
Hình 2.6. Khung đỡ môđun màng ........................................................................ 61
Hình 2.7. Môđun màng sợi rỗng đã được lắp ghép.............................................. 61
Hình 2.8. Mô hình bể hiếu khí tích hợp màng lọc ............................................... 63
Hình 2.9. Một số hình thái môđun màng lọc dạng sợi rỗng đã được lắp ghép .... 64
Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo hệ thống xử lý .............................................................. 69
Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo bể thiếu khí và hình ảnh giá thể sử dụng trong bể ...... 70
Hình 3.1. Sự thay đổi MLSS và SVI theo thời gian ........................................... 77
Hình 3.2. Sự thay đổi của MLSS và tỉ số MLVSS/MLSS theo thời gian........... 78
Hình 3.3. Sự thay đổi của pH theo thời gian ....................................................... 79
Hình 3.4. Sự thay đổi của COD và hiệu suất xử lý COD theo thời gian ............. 80
Hình 3.5. Sự thay đổi của nồng độ NH4+ - N và hiệu suất xử lý theo thời gian .. 81
Hình 3.6. Sự thay đổi áp suất qua màng dạng tấm phẳng theo thời gian với từng
loại vật liệu màng khác nhau ................................................................................ 82
Hình 3.7. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với các hình thái môđun
màng sợi rỗng khác nhau ..................................................................................... 84
Hình 3.8. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian với cường độ sục khí khác
nhau ...................................................................................................................... 86
Hình 3.9. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian phụ thuộc vào năng suất
lọc ......................................................................................................................... 89

7

Hình 3.10. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian phụ thuộc vào nồng độ
BHT khác nhau .................................................................................................... 91
Hình 3.11. Mô hình hệ xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí
nghiệm .................................................................................................................. 98
Hình 3.12. Hiệu suất xử lý COD theo các lưu lượng đầu vào khác nhau .......... 100
Hình 3.13. Hiệu suất xử lý NH4+-N theo các lưu lượng đầu vào khác nhau ..... 102
Hình 3.14. Diễn biến NH4+-N và NO3- -N với các tỷ lệ dòng tuần hoàn nước khác
nhau .................................................................................................................... 105
Hình 3.15. Sơ đồ khối mô hình hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô
phòng thí nghiệm................................................................................................ 108
Hình 3.16. Sự thay đổi pH trong các bể xử lý theo thời gian ............................ 109
Hình 3.17. Sự thay đổi COD qua các bể theo thời gian ..................................... 111
Hình 3.18. Sự thay đổi NH4+ -N qua các bể theo thời gian ............................... 115
Hình 3.19. Diễn biến tỷ số NH4+ - N/MLSS theo thời gian ............................... 116
Hình 3.20. Sự thay đổi NOx--N đầu ra theo thời gian ........................................ 118
Hình 3.21. Hiệu suất xử lý TN theo thời gian .................................................... 120
Hình 3.22. Sự thay đổi TP qua các bể theo thời gian......................................... 121
Hình 3.23. Quan hệ giữa tải lượng đầu vào và năng suất xử lý COD ............... 125
Hình 3.24. Quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lý amoni ........................... 126
Hình 3.25. Sơ đồ biểu diễn cân bằng khối lượng trong bể MBR....................... 128
Hình 3.26. Biến thiên áp suất qua màng lọc theo thời gian ............................... 131
Hình 3.27. Sự thay đổi áp suất qua màng theo thời gian sau khi làm sạch bằng
NaOCl................................................................................................................. 135
Hình 3.28. Mặt bằng trạm xử lý nước thải chăn nuôi lợn .................................. 138
Hình 3.29. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn .............................. 138

8

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Những năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của ngành chăn nuôi tại Việt

Nam, đã góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước. Tuy nhiên,
bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, ngành chăn nuôi đã và đang làm cho môi
trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của
cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên do nước thải từ các trang trại đưa vào
nguồn tiếp nhận nhưng chưa qua xử lý hoặc chỉ xử lý bằng các biện pháp đơn lẻ,
không hiệu quả, không đạt tiêu chuẩn xả thải. Trong số đó, phải kể đến nguồn
nước thải từ các trang trại chăn nuôi lợn với hàm lượng của các chất hữu cơ, chất
rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng nitơ (N), phôtpho (P) và vi sinh vật (VSV) gây bệnh
cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải cho phép. Trên thực tế, ở nước ta
cho đến nay vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua. Do đó,
việc xử lý một khối lượng lớn nước thải phát sinh từ ngành chăn nuôi gia súc là
nhu cầu cấp thiết của ngành công nghiệp môi trường.
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như: phương pháp sinh
học (công nghệ bùn hoạt tính (BHT), phân hủy yếm khí, thực vật thủy sinh);
phương pháp hóa lý; phương pháp đất ngập nước; ... đã được nghiên cứu, áp
dụng. Các phương pháp này hoặc là gây tốn kém về chi phí hóa chất, hoặc là yêu
cầu thời gian lưu nước dài (20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn. Ngoài ra,
do nồng độ các thành phần N và P trong nước thải chăn nuôi quá lớn, nên hầu
như các phương pháp này vẫn chưa thể xử lý triệt để được các chất ô nhiễm này.
Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý
nước thải (XLNT) có tải trọng ô nhiễm cao như chăn nuôi đã được nghiên cứu,
ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua. Để tăng hiệu quả xử lý đối với các
nguồn thải này, việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là

công nghệ MBR) đang được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên
thế giới. Dựa trên khả năng tách pha rắn – lỏng rất tốt của màng lọc nên đã làm
tăng được nồng độ vi sinh trong bể xử lý, đặc biệt đối với các vi khuẩn có tốc độ

9


sinh trưởng thấp như Nitrosomonas, Nitrobacter (ôxy hóa ammoni thành NOx-),
dẫn đến có thể tăng hiệu suất xử lý nitơ cao hơn 60% so với công nghệ BHT
truyền thống, đồng thời việc sử dụng màng lọc cũng có thể loại bỏ vi khuẩn gần
như tuyệt đối (Urbain và ncs, 1996; Kim và ncs, 2008). Ngoài ra, công nghệ này
có khả năng xử lý BOD5, COD, SS và P trong nước thải chăn nuôi lợn, với hiệu
suất đạt được rất cao (Kim và ncs, 2005). Tuy nhiên, do tải lượng các chất ô
nhiễm trong nguồn nước thải chăn nuôi đầu vào thường xuyên thay đổi, cho nên
rất khó kiểm soát được sự ổn định chất lượng nước đầu ra sau quá trình xử lý.
Bên cạnh đó, việc khắc phục hiện tượng tắc nghẽn màng lọc, thường xảy ra khi
vận hành hệ thống MBR, đòi hỏi màng lọc phải được làm sạch bằng hóa chất
hoặc thay mới (Judd, 2006; Franken, 2009). Do đó, làm cho giá thành vận hành
hệ thống XLNT bằng công nghệ này tăng cao.
Chính vì vậy, để có thể bố trí các đơn nguyên phù hợp trong hệ thống công
nghệ MBR và xác định được các điều kiện vận hành tối ưu nhằm khắc phục được
các tồn tại trên, để xử lý hiệu quả nước thải chăn nuôi khi áp dụng công nghệ
này, thì việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước thải
chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng” là rất cần thiết. Các
kết quả của nghiên cứu này sẽ góp phần trong việc tìm kiếm phương pháp hiệu
quả XLNT chăn nuôi, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, góp phần phát triển
công nghiệp hóa ngành chăn nuôi theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16
tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng được mô hình hệ thống XLNT chăn nuôi lợn bằng phương pháp

sinh học kết hợp lọc màng đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 0179:2011/BNNPTNT;
- Xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho mô hình hệ thống đã xây
dựng để đảm bảo không chỉ giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc, mà còn đáp ứng các
tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này.

10


3.

Luận điểm khoa học
Nghiên cứu này được đặt ra, dựa trên một số luận điểm sau:
Nước thải chăn nuôi lợn là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng

gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ
lửng, nitơ, phôtpho và vi sinh vật gây bệnh. Trước đây, cũng đã có nhiều công
trình nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng các phương pháp như:
phương pháp sinh học, phương pháp keo tụ, phương pháp hóa học, sử dụng hệ
thống đất ngập nước, … tuy nhiên các phương pháp này có hiệu quả xử lý chưa
cao, thời gian vận hành kéo dài, sử dụng diện tích đất lớn;
Ở Việt Nam, công nghệ lọc màng đã được ứng dụng trong XLNT như nước
thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, … nhưng hầu hết chỉ
mới được thử nghiệm và sử dụng trong các trường hợp có hàm lượng chất rắn lơ
lửng và các chất ô nhiễm thấp. Đối với các nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm
cao như nước thải chăn nuôi lợn thì các nghiên cứu sử dụng công nghệ tiềm năng
này còn rất khiêm tốn;
Việc kết hợp cả phương pháp vật lý, sinh học và lọc màng sẽ khắc phục

được các hạn chế mà các phương pháp khác còn tồn tại không giải quyết được
như: xử lý được cả các hợp chất hữu cơ hòa tan, nitơ, phốtpho, chất rắn lơ lửng
cũng như các loại vi khuẩn gây bệnh một cách hiệu quả; thời gian lưu ngắn;
không cần bể lắng bùn; không sử dụng hóa chất cho quá trình xử lý; giảm thiểu
các sản phẩm ô nhiễm thứ cấp đồng thời có thể tiết kiệm chi phí cho quá trình xử
lý.
Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng
sẽ là định hướng tiềm năng áp dụng trong XLNT chăn nuôi.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Phân tích, đánh giá đặc tính nước thải chăn nuôi khu vực
nghiên cứu;
Nội dung 2: Khảo sát sự thích nghi và đánh giá đặc tính BHT với nước thải
chăn nuôi;

11


Nội dung 3: Khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn
màng lọc (vật liệu màng, hình thái môđun màng, năng suất lọc, cường độ sục khí
và nồng độ BHT trong bể lọc màng) trên các môđun màng lọc đã được lắp ghép;
Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc
màng để XLNT chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm và khảo sát ảnh hưởng của
các điều kiện vận hành hệ thống (lưu lượng nước thải đầu vào, tỷ lệ dòng tuần
hoàn nước từ sau bể hiếu khí về bể thiếu khí) đến hiệu quả xử lý các chất ô
nhiễm trong nước thải;
Nội dung 5: Tính toán sản lượng bùn dư thải bỏ trong bể lọc màng MBR;
Nội dung 6: Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc.
5. Ý nghĩa của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
 Kết quả thực hiện đề tài đã chứng tỏ việc ứng dụng công nghệ sinh học kết

hợp lọc màng trong hệ thống XLNT có tải trọng các chất ô nhiễm cao như nước
thải chăn nuôi lợn là rất khả quan và là cơ sở khoa học để có thể triển khai thực
tế;
 Xác định được chế độ vận hành hệ thống sinh học kết hợp lọc màng, giúp
giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc trong quá trình vận hành, góp phần thúc đẩy sự
phát triển của công nghệ màng lọc ứng dụng trong XLNT.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
 Hệ thống thiết bị và chế độ vận hành đơn giản, không cần bể lắng bùn,
không sử dụng hóa chất, tiết kiệm chi phí cho quá trình xử lý, phù hợp với điều
kiện của Việt Nam;
 Góp phần tạo ra một công nghệ mới có thể cải tạo, nâng cấp các hệ thống
XLNT đã có, đảm bảo hiệu quả xử lý, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải.
6. Đóng góp mới của đề tài
Đã xây dựng được mô hình hệ thống XLNT chăn nuôi lợn bằng phương
pháp sinh học kết hợp lọc màng và xác định được chế độ vận hành tối ưu của hệ
thống, đảm bảo giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc và nước thải sau xử lý đáp ứng

12


tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01-79:2011/BNNPTNT và loại A theo
QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
7. Kết cấu của luận án
Luận án được bố cục thành 3 chương và các phần mở đầu; kết luận, kiến
nghị và tài liệu tham khảo.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;
Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận.
Luận án được trình bày trong 150 trang A4, 19 bảng biểu, 44 hình vẽ, danh
mục 5 công trình khoa học của tác giả đã được công bố, 104 tài liệu tham khảo

tiếng Việt và tiếng Anh.

13


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam
Trong những năm vừa qua, ngành chăn nuôi Việt Nam luôn giữ mức tăng
trưởng cao và ổn định, góp phần vào tăng trưởng chung của toàn ngành nông
nghiệp. Theo số liệu thông kê, hàng năm số lượng vật nuôi lợn và gia cầm có xu
hướng tăng, số lượng trâu và bò giữ mức ổn định. Trong số các vật nuôi thì chăn
nuôi lợn là phổ biến và về sản lượng, thịt lợn luôn đóng góp khoảng 2/3 nhu cầu
thị trường.
Số liệu thống kê về số lượng các loại vật nuôi trong giai đoạn từ năm 2012
– 2015 được thể hiện trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Sự thay đổi về số lƣợng vật nuôi trong giai đoạn 2012 – 2015
Đơn vị tính: triệu con
Năm

Trâu

Bò

Lợn

Gia cầm

2012

2,6

5,2

26,5

308,3

2013

2,6

5,2

26,3

314,7

2014

2,5

5,2

26,8

327,7

2015

2,5

5,4

27,7

341,9

(Tổng Cục Thống Kê, 2012 – 2015)
Về quy mô, chăn nuôi với quy mô nhỏ lẻ tại các hộ gia đình hiện vẫn chiếm
tỷ trọng lớn khoảng 65 - 70% về số lượng và sản lượng. Tuy nhiên, ngành chăn
nuôi nước ta đang có những dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang
chăn nuôi quy mô lớn, trang trại, công nghiệp. Theo số liệu thống kê của Tổng
cục Thống kê, năm 2013, cả nước có khoảng 9000 trang trại chăn nuôi. Đến năm
2014, số lượng trang trại chăn nuôi đã tăng trên 10 ngàn trang trại. Trong đó, số
lượng lớn trang trại tập trung ở miền Bắc và miền Nam. Theo vùng sinh thái,
vùng đồng bằng sông Hồng có số trang trại nhiều nhất chiếm tới 34,8%. Trong
vùng này, Hà Nội đứng đầu với 979 trang trại. Trong số các trang trại chăn nuôi
thì số lượng các trang trại chăn nuôi lợn chiếm phần lớn, cụ thể năm 2013, cả
14


nước đã có khoảng 4300 trang trại chăn nuôi lợn trên tổng số 9000 trang trại chăn
nuôi (Niên giám thống kê, 2014).
Nhìn chung, ngành chăn nuôi nước ta trong những năm gần đây duy trì
được sự phát triển ổn định và đã có những bước chuyển dịch rõ ràng từ chăn nuôi
nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, phù hợp với xu hướng
của thế giới.
1.2. Khối lƣợng và đặc tính nƣớc thải chăn nuôi
Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước
tắm vật nuôi. Trong nước thải chăn nuôi còn có thể chứa một phần hay toàn bộ

lượng phân được vật nuôi thải ra. Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng
lớn nhất trong chăn nuôi.
Theo khảo sát của tổ chức JICA và Viện Công nghệ môi trường tại các
trang trại chăn nuôi lợn điển hình tại 5 tỉnh thuộc miền Bắc gồm Hà Nội, Vĩnh
Phúc, Hưng Yên, Thái Bình và Hòa Bình cho thấy, lượng nước tiêu thụ từ 10 40 lít/đầu lợn/ngày, trong khi đó tại Nhật Bản con số này là 20 - 30 lít/đầu
lợn/ngày. Với 4293 trang trại chiếm 35% số đầu lợn trong cả nước (9345 triệu
lợn), nếu trung bình lượng nước thải ra là 25 lít/đầu lợn/ngày thì lượng nước thải
trung bình khoảng 85 triệu m3/năm, một con số đáng kể (Trần Văn Tựa, 2015).
Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và
nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao. Một đầu lợn nuôi kiểu công nghiệp trung
bình hàng ngày thải ra lượng phân, nước tiểu khoảng 6 - 8 % khối lượng của nó.
Để sản xuất 1000 kg thịt lợn thì hàng ngày phát sinh 84 kg nước tiểu, 39 kg phân,
11 kg TS (chất rắn tổng số), 3,1 kg BOD5, 0,24 kg NH4+-N (Bùi Hữu Đoàn,
2011). Như vậy, có thể thấy rằng chăn nuôi tập trung là một trong các nguồn chất
thải lớn có nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường ở nước ta.
Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng, biến động rất lớn,
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quy mô chăn nuôi, giống, độ tuổi vật nuôi, chế
độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách vệ sinh chuồng trại .... Đặc tính
nước thải chăn nuôi bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự pha loãng, lưu trữ và cách

15


tách loại rắn lỏng. Trong nghiên cứu của tác giả Vũ Đình Tôn (2008) cho biết
lượng phân thải ra hàng ngày bằng 6 – 8% trọng lượng lợn. Với lợn có trọng
lượng dưới 10 kg thì lượng phân thải ra khoảng 0,5 -1 kg, lợn từ 15 – 40 kg là 1 –
3 kg, và lợn từ 45 – 100kg là 3 – 5 kg. Ngoài ra, với giống lợn khác nhau, lượng
chất thải cũng khác nhau. Với lợn nái ngoại thải từ 0,94 – 1,79 kg/ngày, lợn thịt
là 0,6 – 1 kg/ngày tùy theo các mùa khác nhau. Tùy thuộc vào giai đoạn phát
triển của vật nuôi mà nhu cầu dinh dưỡng và sự hấp thu thức ăn có sự khác nhau.

Trong thời kỳ tăng trưởng, nhu cầu dinh dưỡng của vật nuôi lớn và khả năng
đồng hóa thức ăn của con vật cao nên khối lượng các chất bị thải ra ngoài ít; còn
khi vật nuôi trưởng thành thì nhu cầu dinh dưỡng giảm, khả năng đồng hóa thức
ăn thấp nên chất thải sinh ra nhiều hơn. Vì vậy thành phần và khối lượng của
phân cũng khác nhau ở các giai đoạn phát triển của vật nuôi.
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100 kg
Đơn vị

Giá trị

Vật chất khô

g/kg

213 – 342

NH4+ - N

g/kg

0,66 – 0,76

TN

g/kg

7,99 – 9,32

Tro

g/kg

32,5 – 93,3

Chất xơ

g/kg

151 – 261

Cacbonat

g/kg

0,23 – 0,41

Các axit mạch ngắn

g/kg

3,83 – 4,47

-

6,47 – 6,95

Thông số

pH

(Nguồn: Bùi Hữu Đoàn, 2011)
Phân thường tồn tại ở dạng rắn, tương đối rắn hoặc lỏng. Trong phân chứa
nhiều hợp chất giàu N, P. Số liệu trong Bảng 1.2 cho thấy, hàm lượng N trong
phân lợn chiếm từ 7,99 – 9,32 g/kg phân. Ngoài ra, trong phân còn chứa nhiều vi
khuẩn gây bệnh. Trong đó, các vi khuẩn thuộc loại Enterobacteriacea chiếm đa
số với các loài điển hình như E.coli, Samonella, Shigella, Proteus ... Theo số liệu
phân tích của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng thành phố Hồ Chí Minh (2001) cho
16


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full