Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.45 MB, 82 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN QUANG NAM
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
HÓA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN QUANG NAM
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
HÓA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60440301
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Văn Quy
TS. Trần Hùng Thuận
Hà Nội – 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa
có ai công bố trong một công trình nào khác. Luận văn này là một phần
nghiên cứu trong đề tài cấp bộ: “Nghiên cứu chế tạo modul màng lọc
polyme hợp khối phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi” do TS. Trần Hùng
Thuận làm chủ nhiệm đề tài.
Học viên
Nguyễn Quang Nam
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS .TS.
Trần Văn Quy Giảng viên khoa Môi trường Đại học Khoa học Tự nhiên, TS.
Trần Hùng Thuận Giám đốc Trung tâm Công nghệ Vật liệu Viện Ứng dụng
Công nghệ, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn đề tài cấp Bộ KHCN : “Nghiên cứu chế tạo modul màng
lọc polyme hợp khối phục vụ xử lý nước thải chăn nuôi ” do TS. Trần Hùng
Thuận làm chủ nhiệm đề tài đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện cho tôi thực
hiện luận văn này. Cảm ơn TS. Chu Xuân Quang cán bộ Viện Ứng dụng Công
nghệ, NCS. Nguyễn Sáng đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện
luận văn, cùng toàn thể cán bộ phòng Vật liệu Vô cơ Trung tâm Công nghệ Vật
liệu Viện Ứng dụng Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có
thể hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời tri ân tới các thầy cô giáo trong và ngoài khoa Môi
trường đã dìu dắt, truyền đạt kiến thức, dạy bảo tôi trong suốt thời gian theo
học tại nhà trường.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân bà bạn bè đã luôn ủng hộ,
động viên và giúp đỡ trong thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm
2015
Học viên
Nguyễn Quang Nam
MỤC LỤC
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
......................................................................
v
Học viên
...................................................................................................................
v
Nguyễn Quang Nam
..............................................................................................
vi
DANH MỤC VIẾT TẮT
.........................................................................................
i
DANH MỤC VIẾT TẮT
.........................................................................................
i
DANH MỤC BẢNG
................................................................................................
ii
DANH MỤC BẢNG
................................................................................................
ii
DANH MỤC HÌNH
................................................................................................
iii
DANH MỤC HÌNH
................................................................................................
iii
MỞ ĐẦU
..................................................................................................................
1
MỞ ĐẦU
..................................................................................................................
1
Chương 1 TỔNG QUAN
.....................................................................................
3
Chương 1 TỔNG QUAN
.....................................................................................
3
1.1.Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường
.....................................................
3
1.1.Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường
..................................
3
1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi
.........................................................................
3
1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi
......................................................................
3
Bảng 1.1. Thông sô n
́ ước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9] 4
1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường
..................................
4
1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường
............................
4
1.2.Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi
............................................................................
5
1.2.Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi
...........................................................
5
Hình 1.1. Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay
đối với cơ sở chăn nuôi
..........................................................................................
7
1.3.Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
.................................................................
8
1.3.Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
................................................
8
1.3.1. Phương pháp vật lý
.......................................................................................
8
1.3.1. Phương pháp vật lý
.....................................................................................
8
1.3.2. Các phương pháp hóa lý
................................................................................
8
1.3.2. Các phương pháp hóa lý
..............................................................................
8
1.3.3. Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh
..................................................
9
1.3.3. Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh
.............................................
9
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống UASB
.........................................................................
12
Hình 1.3. Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián đoạn
......................
15
1.3.4. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi
..................................................
15
1.3.4. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi
..............................................
15
Hình 1.4. Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học
...........................
17
Hình 1.5. Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học
.........................................
17
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
...................
24
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
...................
24
2.1. Đôi t
́ ượng nghiên cứu
...................................................................................................
24
2.1. Đôi t
́ ượng nghiên cưu
́
....................................................................................
24
2.2. Phương phap nghiên c
́
ưú
..............................................................................................
24
2.2. Phương phap nghiên c
́
ưu
́
..............................................................................
24
2.2.1. Phương phap thu th
́
ập xử lý sô liêu
́ ̣
.............................................................
24
2.2.1. Phương phap thu th
́
ập xử lý sô liêu
́ ̣
..........................................................
24
2.2.2. Phương phap phân tich đanh gia
́
́
́
́
..................................................................
24
2.2.2. Phương phap phân tich đanh gia
́
́
́
́
...............................................................
24
Bang 2.1. Ph
̉
ương pháp phân tích đánh giá
........................................................
24
2.3. Phương phap th
́ ực nghiêm
̣
............................................................................................
25
2.3. Phương phap th
́ ực nghiêm
̣
............................................................................
25
2.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền xử
lý nước thải chăn nuôi
...........................................................................................
25
2.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền
xử lý nước thải chăn nuôi
...................................................................................
25
2.3.2. Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và
nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp mang vi loc polyme
̀
̣
...........................
26
2.3.2. Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD
và nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp mang vi loc polyme
̀
̣
...............
26
Hinh 2.1. Mô hình b
̀
ố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý
............................
26
Hinh 2.2. C
̀
ấu tạo bể yếm khí, thiếu khí
...........................................................
28
Hình 2.3. Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí
......................................................
29
Hinh 2.4. S
̀
ơ đô bê hiêu khi
̀ ̉
́
́..................................................................................
29
Hinh 2.5. C
̀
ấu tạo sợi màng
.................................................................................
31
2.3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước
thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ
33
...
2.3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước
thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ
33
.................................................................................................................................
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
..........................................................
35
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
..........................................................
35
3.1. Đăc tinh cua n
̣ ́
̉ ước thai chăn nuôi l
̉
ợn
..........................................................................
35
3.1. Đăc tinh cua n
̣ ́
̉ ươc thai chăn nuôi l
́
̉
ợn
.........................................................
35
Bang 3.1. Đăc tinh cua n
̉
̣ ́
̉ ươc thai l
́
̉ ợn lây tai đia chi xom Mui – xa Bich Hoa
́ ̣ ̣
̉ ́
́
̃ ́
̀
35
..
huyên Thanh Oai – Ha Nôi
̣
̀ ̣
...................................................................................
35
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng phèn sắt 36
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng
phèn sắt
..................................................................................................................
36
3.2.1. Ảnh hưởng của pH
.......................................................................................
36
3.2.1. Ảnh hưởng của pH
.....................................................................................
36
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả tiền xử lý bằng phèn sắt
36
.......
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt
.................
37
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ
...........................................................
39
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ
......................................................
39
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý
.........
39
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
.................
39
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học
...................................
40
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học
................
40
Bảng 3.4. Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào (M1) hệ xử lý
40
.................................................................................................................................
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học
..................
41
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học
............
41
Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học
42
......
3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni
..................................................................................
44
3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni
...............................................................................
44
Hinh 3.4. Sự biến thiên NH4+ N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học 45
3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat
...................................................................................
46
3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat
.................................................................................
46
Hình 3.5. Diễn biến NO3N theo thời gian
.......................................................
47
3.3.4. Hiệu suất xử lý PO43P
..............................................................................
48
3.3.4. Hiệu suất xử lý PO43P
............................................................................
48
Hình 3.6. Diễn biến PO43P qua các bể theo thời gian
...................................
48
3.3.5. Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme
....................................
49
3.3.5. Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme
...............................
49
Bảng 3.5. Mật độ Coliform trước và sau khi xử lý
..........................................
49
3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn tiền xử lý keo tụ bằng phèn sắt kết hợp
sinh học
................................................................................................................................
50
3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn tiền xử lý keo tụ bằng phèn
sắt kết hợp sinh học
............................................................................................
50
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học
................
51
3.5. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn xử lý tăng cường
nước thải chăn nuôi lợn sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng
...............
53
3.5. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn xử lý
tăng cường nước thải chăn nuôi lợn sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp
với lọc màng
..........................................................................................................
53
3.5.1. Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR
............
53
3.5.1. Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR . . 53
.
Bảng 3.6. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học kết
hợp lọc màng MBR
...............................................................................................
53
Hình 3.8. Tính chất mang màu khác nhau của các chất humic
.......................
53
3.5.2. Ảnh hưởng của pH
.......................................................................................
54
3.5.2. Ảnh hưởng của pH
.....................................................................................
54
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu
..........................
54
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD
..............................
55
3.5.3. Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ
..................................................................
56
3.5.3. Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ
..............................................................
56
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
..............
56
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ phèn nhôm đến hiệu suất xử lý
..........
57
3.6. Đánh giá, so sánh hiệu quả và lựa chọn mô hình tối ưu xử lý nước thải chăn nuôi . 59
3.6. Đánh giá, so sánh hiệu quả và lựa chọn mô hình tối ưu xử lý nước thải
chăn nuôi
................................................................................................................
59
Bảng 3.7. Đánh giá ưu nhược điểm của các giai đoạn xử lý
..........................
59
3.7. Sơ bộ đánh khả năng áp dụng trong thực tế
...............................................................
60
3.7. Sơ bộ đánh khả năng áp dụng trong thực tế
.............................................
60
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
........................................................................
62
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
........................................................................
62
KẾT LUẬN
............................................................................................................
62
KHUYẾN NGHỊ
....................................................................................................
63
TÀI LIỆU THAM KHẢO
.....................................................................................
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
.....................................................................................
64
TIẾNG VIỆT
.........................................................................................................
64
TIẾNG ANH
..........................................................................................................
65
HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
...........................................
67
DANH MỤC VIẾT TẮT
BIOGAS
Khí sinh học (Biological Gas)
BHT
Bùn hoạt tính
BOD
Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biological oxygen demand)
COD
Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical oxygen demand)
HRT
Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)
MBR
Bể sinh học kết hợp lọc màng (Membrance Bio Reacto)
MLSS
Hàm lượng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended
Solid)
MLVSS
Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (Mixed Liquor Volatile
Suspended Solid)
QCVN
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
SRT
Thời gian lưu bùn (Sludge retention time)
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
TN
Tổng nitơ (mg/L)
TP
Tổng phốtpho (mg/L)
UASB
Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí
(Upflow anearobic sludge blanket)
VSV
Vi sinh vật
XLNT
Xử lý nước thải
i
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thông sô n
́ ước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9] 4
Bang 2.1. Ph
̉
ương pháp phân tích đánh giá
........................................................
24
Bang 3.1. Đăc tinh cua n
̉
̣ ́
̉ ươc thai l
́
̉ ợn lây tai đia chi xom Mui – xa Bich Hoa
́ ̣ ̣
̉ ́
́
̃ ́
̀
35
..
huyên Thanh Oai – Ha Nôi
̣
̀ ̣
...................................................................................
35
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả tiền xử lý bằng phèn sắt
36
.......
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý
.........
39
Bảng 3.4. Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào (M1) hệ xử lý
40
.................................................................................................................................
Bảng 3.5. Mật độ Coliform trước và sau khi xử lý
..........................................
49
Bảng 3.6. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học kết
hợp lọc màng MBR
...............................................................................................
53
Bảng 3.7. Đánh giá ưu nhược điểm của các giai đoạn xử lý
..........................
59
ii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay
đối với cơ sở chăn nuôi
..........................................................................................
7
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống UASB
.........................................................................
12
Hình 1.3. Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián đoạn
......................
15
Hình 1.4. Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học
...........................
17
Hình 1.5. Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học
.........................................
17
Hinh 2.1. Mô hình b
̀
ố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý
............................
26
Hinh 2.2. C
̀
ấu tạo bể yếm khí, thiếu khí
...........................................................
28
Hình 2.3. Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí
......................................................
29
Hinh 2.4. S
̀
ơ đô bê hiêu khi
̀ ̉
́
́..................................................................................
29
Hinh 2.5. C
̀
ấu tạo sợi màng
.................................................................................
31
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt
.................
37
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
.................
39
Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học
42
......
Hinh 3.4. Sự biến thiên NH4+ N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học 45
Hình 3.5. Diễn biến NO3N theo thời gian
.......................................................
47
Hình 3.6. Diễn biến PO43P qua các bể theo thời gian
...................................
48
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học
................
51
Hình 3.8. Tính chất mang màu khác nhau của các chất humic
.......................
53
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu
..........................
54
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD
..............................
55
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
..............
56
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ phèn nhôm đến hiệu suất xử lý
..........
57
iii
MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, ngành chăn nuôi đã tăng trưởng nhanh, đóng góp quan
trọng vào việc phát triển kinh tế của đất nước. Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh
tế mang lại thì chăn nuôi cũng đang nảy sinh vấn đề về chất lượng môi trường,
làm ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên.
Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải ra khoảng 75 85 triệu tấn phân,
với phương thức sử dụng phân chuồng và nước thải không qua xử lý, xả trực
tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [1].
Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi lợn
đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng
nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức
cho phép khoảng 30 40 lần. Tổng số vi sinh vật (VSV) và bào tử nấm cũng cao
hơn mức cho phép rất nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi lợn còn có chứa
COD, tổng nitơ, tổng phốtpho,... cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho
phép. Chính vì vậy có thể thấy rằng một thực trạng ở nước ta 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 tiêu chuẩn ngành chăn
nuôi [9].
Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu
quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh
học” sẽ góp phần phát triển hướng ứng dụng công nghệ xử lý nước thải tiên
tiến trong lĩnh vực bảo vệ môi trường tại Việt Nam.
1
Mục tiêu của đê tài:
Mục tiêu của đề tài là phân tích, đánh giá các đặc tính ô nhiễm của nước
thải chăn nuôi lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – Xã Bích Hòa – huyện Thanh Oai –
thành phố Hà Nội. Trên cơ sở đó, khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến
hiệu quả xử lý chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn bằng các phương
pháp hóa lý, sinh học và đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ đảm bảo chất
lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp (QCVN 40:2013/BTNMT, cột B).
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiền xử lý nước thải
chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý;
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải chăn
nuôi lợn sau tiền xử lý bằng phương pháp hợp sinh học kết hợp lọc màng
polyme;
Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước
thải sau xử lý sinh học kết hợp lọc màng polyme bằng phương pháp keo tụ.
2
Chương 1 TỔNG QUAN
1.1. Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường
1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi
Nước thải chăn nuôi bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật
nuôi với khối lượng nước thải rất lớn. Nước thải chăn nuôi 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, ph ốtpho và vi sinh vật gây bệnh.
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+, 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
3
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.
Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi
(2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây,
Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy đặc điểm
của nước thải chăn nuôi [9]:
Bảng 1.1. Thông sô n
́ ước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung
[9]
T
Chỉ
Đơn
T
tiêu
vị
1
pH
Trại
Trại
Đan
Thụy
Phuợng Phương
Trại
Trại
Trại
QCVN 40:
Tam
Gia
Hồng
2011/BTNMT
Điệp
Nam
Điệp
(cột B)
7,15
7,26
7,08
6,78
6,83
5,59
2
BOD5 mg/l
1339,4
1080,7
882,3
783,4
1221,2
50
3
COD
mg/l
3397,6
2224.5
1924
1251,6
2824.5
150
4
TDS
mg/l
4812,8
4568.4
3949
4012,8
4720.4
100
5
TP
mg/l
99,4
80.2
69,4
57,4
85.6
6
6
TN
mg/l
332,8
280,1
250,9
204,8
275,4
40
Từ số liệu trong Bảng 1.1 thấy rằng, nước thải chăn nuôi có thành phần ô
nhiễm rất cao, các chỉ tiêu 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).
1.1.2. 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
4
trọng. Nước thải từ các cơ sở chăn nuôi thường được thải trực tiếp vào nguồn
tiếp nhận không qua xử lý hay xử lý không đầy đủ gây ô nhiễm môi trường
nước, không khí và đất trầm trọng.
Nước thải chăn nuôi có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa
hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh [3]. Nitơ,
phốtpho trong nước thải chăn nuôi cao chưa qua xử lý chảy vào sông, hồ sẽ làm
tăng hàm lượng chất dinh dưỡng, gây phú dưỡng nguồn nước.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong
chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat
tạo chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các
nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt
nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào
cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn nguy
hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl
cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây
ung thư. Trong cơ thể Nitrit có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành
Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể
dẫn đến tử vong.
Kháng sinh, hoóc môn tăng trọng mặc dù được trộn vào thức ăn gia súc ở
liều lượng thấp nhưng có thể gây ô nhiễm. Kháng sinh trong nước có thể tạo ra
các chủng vi khuẩn nhờn thuốc. Hooc môn có thể gây biến thể, thay đổi giới
tính trong các loài động vật hoang dã, các loài cá.
Kim loại nặng như đồng, kẽm, coban, sắt, mangan có trong thức ăn gia súc.
Các động vật chỉ hấp thụ chúng rất ít, từ 5 15%, còn lại thải ra ngoài. Các kim
loại ấy đều có hại cho sức khỏe con người khi uống phải nước ô nhiễm hay ăn
thịt động vật.
1.2. Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi
5
Ở nước ta việc xử lý chất thải chăn nuôi còn nhỏ lẻ theo phương pháp truyền
thống đơn giản như: phân được ủ hoặc dùng tươi làm thức ăn nuôi cá hoặc làm phân
bón cho cây trồng, chất thải lỏng được xử lý qua biogas và chảy thẳng ra ngoài môi
trường hoặc dùng để tưới cây. Tuy nhiên, quy mô chăn nuôi ngày một mở rộng, chất
thải chăn nuôi ngày một nhiều nên phương pháp xử lý truyền thống không còn thích
hợp đã gây ra ô nhiễm làm ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống của nhiều vùng
[5].
Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi
tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh
Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước thải của
các cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, máng uống và
nước tắm rửa cho lợn. Tất cả các cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra đều chỉ có
hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas và theo quy trình: Nước
thải Bể Biogas Hồ sinh học thải ra môi trường (Hình 1.1) . Hầu hết các
trang trại chăn nuôi lợn khác trên toàn quốc hiện nay cũng có sơ đồ xử lý chất
thải như trên. Quy trình này có ưu điểm là sản xuất được năng lượng sinh học
(khí Biogas) từ chất thải phục vụ các mục đích sinh hoạt, tuy nhiên chất lượng
nước thải sau khi xử lý đều không đạt các tiêu chuẩn thải đặc biệt đối với các
chỉ tiêu COD, BOD, TN, TP và các chỉ tiêu vi sinh khác. Ngoài ra đối với các
trang trại tập trung chăn nuôi quy mô lớn, mô hình này không đáp ứng được công
suất xử lý do đòi hỏi thời gian lưu dài của nước thải (khoảng 30 40 ngày) trong
thiết bị xử lý dẫn tới việc phải xây dựng hệ thống xử lý trên một diện tích 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.
6
(A) quy mô nhỏ, (B) quy mô vừa và lớn
Hình 1.1. Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay
đối với cơ sở chăn nuôi
Trong những năm qua, một số mô hình xử lý chất thải chăn nuôi đã được
nghiên cứu và triển khai công nghệ vào thực tế ở Việt Nam . Chẳng hạn mô hình
xử lý nước thải chăn nuôi bằng thực vật thủy sinh, mô hình đất ngập nước …
Tuy mức độ thành công của mỗi mô hình là khác nhau nhưng đã góp phần giảm
thiểu ô nhiễm và bước đầu đưa các công nghệ xử lý chất thải tiên tiến vào Việt
Nam. Mặc dù, các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi được áp dụng hiện nay
đều dựa trên các công nghệ đã được áp dụng thành công trên thế giới nhưng để
phù hợp với thực tiễn Việt Nam vẫn còn gặp không ít khó khăn do quy mô chăn
nuôi đa dạng, vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp, trình độ và hiểu biết của
người chăn nuôi chưa đáp ứng nhu cầu.
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
7
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 nước thải chăn nuôi lợn 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.
1.3. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
1.3.1. Phương pháp vật lý
Các phương pháp áp dụng như: sàng lọc; tách cơ học; trộn, khuấy; lắng;
lọc hay hóa lỏng khí…nhằm loại bỏ một phần cặn ra khỏi nước thải chăn
nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học và sinh học tiếp theo được thực
hiện tốt hơn. Phương pháp vật lý thường được kết hợp với các phương pháp
sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các quá trình chuyển hóa và tách
các chất cặn, chất kết tủa hay sau tuyển nổi … [5].
1.3.2. Các phương pháp hóa lý
Các quá trình thường áp dụng là: trung hòa; sử dụng các chất oxy hóa
khử; kết tủa hay tuyển nổi; hấp phụ; tách bằng màng và khử trùng;…. Trong
đó, xử lý hóa học thường gắn với phương pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học
… [5].
Trong nước thải chăn nuôi thường chứa nhiều thành phần hòa tan hay
các hạt có kích thước nhỏ, không thể tách khỏi dòng nước thải bằng phương
pháp vật lý. Để tách các thành phần này ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng
các tác nhân tạo keo tụ như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tụ, polyme hữu
cơ… Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước
thải, tuy nhiên chi phí đầu tư xây dựng và giá thành vận hành cao.
Ngoài ra, ở một số cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi
hỏi mức độ sạch sinh học cao, còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo
để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước
8
khi thải ra nguồn tiếp nhận. Phương pháp thường gặp nhất là diệt trùng nước
thải sau xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận bằng clo hoặc các dẫn
xuất của chúng như canxihydrocloride, clorua vôi, cloramine để khử trùng
nước thải. Khi vào nước, clo kết hợp với nước tạo ra axit HOCl là chất có
tính oxy hóa mạnh, có tác dụng diệt khuẩn và khử mùi.
1.3.3. Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh
Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của VSV để phân hủy
các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các VSV sử dụng các chất hữu
cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng tạo năng lượng. Trong quá trình
dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và
sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ
nhờ VSV gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa.
Nước thải có thể xử lý sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc
COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp sinh học nước thải cần không chứa các
chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không
vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5. Nhìn chung,
phương pháp sinh học có thể chia thành 2 loại là: xử lý kỵ khí và xử lý hiếu khí
Phương pháp xử lý kị khí (yếm khí):
+) Lọc kị khí (giá thể cố định dòng chảy ngược dòng): Bể lọc kị khí là cột
chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho VSV kị khí sống bám trên bề
mặt. Giá thể có thể là đá, sỏi, than, giá thể nhựa tổng hợp, tấm nhựa, giá thể
sứ… Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám
dính trên bề mặt giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến
lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài, vì vậy thời gian lưu nước
giảm có thể vận hành với tải trọng cao. Lọc kị khí có sử dụng giá thể là đá hoặc
sỏi thường bi bịt tắc do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ
lại khe rổng. Giá thể là vật liệu tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%)
9
nên VSV bám dính và chúng thường được thay thế cho sỏi đá. Tỷ lệ riêng diện
tích bề mặt/thể tích bề mặt vật liệu thông thường dao dộng trong khoảng 100
220 m2/m3. Trong bể lọc kị khí do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh
khối, nên rất dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục nhược
điểm này có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua
hệ thống phân phối khí. Sau thời gian vận hành, các chất rắn không bám dính gia
tăng trong bể. Có thể nhận thấy được khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả
xử lý giảm do thời gian lưu nước thực trong bể bị rút ngắn. Chất rắn không bám
dính có thể lấy ra khỏi bể bằng xả đáy và rửa ngược.
+) Hồ yếm khí: ở đây các vi khuẩn yếm khí phân hủy các chất hữu cơ
thành các sản phẩm cuối ở dạng khí là CO2 và CH4, them vào đó là hợp chất trung
gian phát sinh mùi như các axit hữu cơ, H2S. Đặc tính của nước thải có thể được
xử lý bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cụ thể là
protein, mỡ, có nhiệt độ tương đối cao, không chứa các chất độc và đủ các chất
dinh dưỡng. Các tiêu chuẩn vận hành bình thường đối với hồ yếm khí có thể đạt
hiệu suất khử BOD bằng 75% là tải trọng BOD bằng g BOD/m 3.ngày, thời gian
lưu tối thiểu là 4 ngày, hồ làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 25oC. Vấn đề vận hành
thường gặp đối với loại hồ này là sự giảm nhiệt độ do mặt hồ không được lớp
dầu mỡ phủ kín để cách nhiệt và tránh tác động khuấy trộn của gió. Nếu hồ vận
hành đúng sẽ không phát sinh mùi làm ô nhiễm môi trường xung quanh. Ưu điểm
của xử lý yếm khí so với quá trình hiếu khí là sinh ra ít bùn hơn và không cần
thiết bị thông khí, nhưng nhược điểm của nó là phân hủy không triệt để nên chất
thải cần được xử lý tiếp bằng quá trình thứ cấp là quá trình hiếu khí. Mặt khác
quá trình phân hủy yếm khí cần nhiệt độ khá cao.
+) Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow
anearobic sludge blanket UASB): đây là một trong những quá trình xử lý kị khí
được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới nhờ có các đặc điểm như tích hợp cả 3
quá trình phân hủy lắng bùn tách khí trong một công trình; thứ 2 là tạo ra các
10
loại bùn hạt có nồng độ VSV cao và tốc độ lắng cao hơn so với bùn của quá trình
hiếu khí dạng lơ lửng. Quá trình hoạt động của UASB như sau: nước thải được
nạp liệu từ phía đáy bể và đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất
hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí
chủ yếu là CH4 và CO2, sẽ tạo dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình
thành và duy trì sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ các hạt bùn sẽ dính vào các hạt
bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình tách khí lỏng
rắn được thực hiện nhờ bộ phận tách pha. Khí có thể được thu hồi nhờ đi qua
bồn hấp thụ chứa NaOH 5 – 10%, hoặc thải ra môi trường nếu khối lượng ít.
Nước thải được chảy qua máng chảy tràn vào thiết bị xử lý tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể duy trì ở khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp
cho quá trình phân hủy kị khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đó cần cung
cấp đủ độ kiềm cho thiết bị ( nồng độ trong khoảng 1000 – 5000mg/L) để đảm
bảo nước thải luôn có pH > 6,2 vì nếu < 6,2 vi khuẩn chuyển hóa khí metan sẽ
không hoạt động được.
11
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống UASB
Phương pháp xử lý hiếu khí: là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm
VSV hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp
oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 40oC. Một số quy
trình xử lý hiếu khí có thể kể đến như:
+) B
ể phản ứng sinh học hiếu khí (aeroten truyền thống) : Aeroten là công
trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp
thiết kế bằng kim loại hình khối trụ. Thông dụng nhất là bể aeroten dạng khối
hình chữ nhật. Nước thải chảy qua su ốt chiều dài của bể và được sục khí,
khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa
chất bẩn hữu cơ có trong nước. Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần
lớn các chất hữu cơ hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten. Các chất lơ
lửng này là số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ dạng chưa phải hòa tan. Các
chất lơ lửng làm nơi để VSV bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành
các hạt bông cặn. Các hạt này dần to và lơ lửng trong nước, chính vì vậy phương
12
