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
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Văn Quy
TS. Trần Hùng Thuận
Hà Nội – 2015
Công trình được hoàn thành tại Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần Văn Quy
TS. Trần Hùng Thuận
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thị Hà
Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại Khoa
Môi trường, Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội
Vào hồi 17 giờ 00 ngày 22 tháng 12 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
Trung tâm thông tin – Thư viện, ĐHQGHN
MỞ ĐẦU
Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng COD, tổng nitơ, tổng phốtpho,...
cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. 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.
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.
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.
1
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.
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.
1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường
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.
2
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.
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.
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
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.
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.
3
(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
1.3. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi
Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi:
Một vài quá trình xử lý loại bỏ nitơ trong cùng một bể bùn được phát triển
bởi Ludzack – Ettinger (MLE) (1962) và Bardenpho (1975) (Hình 1.2 và 1.3). Các
quá trình làm việc tách biệt sục khí và không sục khí. Trong MLE, nước thải tuần
hoàn từ bể hiếu khí quay trở lại bể thiếu khí. Trong Bardenpho có thêm 2 bể (1
bể thiếu khí và 1 bể hiếu khí) lắp sau bể thiếu khí và hiếu khí đầu tiên, do đó ở
bể thiếu khí thứ 2 xảy ra quá trình khử nitrat nhiều hơn bởi phân hủy nội sinh và
cơ chất chậm, đóng vai trò như một nguồn cacbon cho quá trình khử nitrat.
Hình 1.2. Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học
4
Hình 1.3. Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học
Nghiên cứu xử lý phốtpho:
Xử lý hóa lý làm giảm hầu hết TP bởi làm giảm số lượng các hạt rắn lơ
lửng trong nước thải và làm kết tủa TP bằng các hợp chất của sắt, nhôm và
canxi.
Nghiên cứu của D. M. Weaver & G. S. P. Ritchie v ề lo ại b ỏ ph ốtpho từ
nước thải chuồng lợn cho thấy , hiệu quả loại bỏ TP bằng vôi tôi và hóa lý đạt
95% và không ảnh hưởng bởi chất lượng nước thải.
Nghiên cứu về keo tụ:
Các nghiên cứu về keo tụ cũng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải
chăn nuôi lợn. Việc loại bỏ phốtpho được thực hiện bằng phương pháp kết tủa
bởi những hóa chất phổ biến như phèn nhôm, vôi tôi, phèn sắt và các chất trợ keo
tụ. Kết tủa struvite MgNH4PO4.6H2O đã được cải tiến và có thể loại bỏ cả
phốtpho và nitơ. Các yếu tố ảnh hưởng như pH và liều lượng hóa chất đã được
nhóm tác giả P.H. Liao, Y. Gao và K.V. Lo nghiên cứu. Kết quả cho thấy, hiệu
quả loại bỏ phốtpho cao nhất ở pH= 9, trong khi đó hiệu quả loại bỏ amoni cao
nhất ở pH= 11. Polyme PERCOL 728 đã được sử dụng làm chất trợ keo tụ.
Nghiên cứu tiền xử lý hóa lý bằng keo tụ kết hợp với MBR để nâng cao
hiệu quả xử lý và giảm hiện tượng tắc màng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn
đã được H.Kim và các cộng sự (2005) thực hiện trong 5 tháng. Hiệu suất trung
bình loại bỏ BOD, COD, NH3N trong quá trình keo tụ tương ứng là 64,3; 77,3 và
40,4%, trong đó hiệu suất loại bỏ nitơ thấp hơn các thông số khác. Hiệu suất
loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4% chủ yếu là do trung hòa điện tích.
Nước thải sau quá trình xử lý keo tụ được thu gom lại và là đầu vào của MBR
với tải lượng COD trung bình là 0,57 kg COD/m3 ngày. Độ đục đầu vào biến
động từ 1,7 – 56,0 NTU không làm ảnh hưởng đến đầu ra độ đục, vẫn duy trì
5
dưới 2,0 NTU. Chất hữu cơ và nitơ được loại bỏ đáng kể trong MBR. Hiệu suất
loại bỏ BOD, COD, độ đục và NH3N trong quá trình MBR đạt tương ứng 99,5;
99,4; 99,8 và 98,2%.
Do sự xuất hiện của vi tảo và các sinh vật lơ lửng gây cản trở quá trình xử
lý COD và nitơ, phốtpho nên nhóm tác giả Ignacio de Godos, Hector O. Guzman,
Roberto Soto (2010) đã tiến hành đánh giá khả năng loại bỏ sinh khối tảo và vi
khuẩn từ nước thải lợn bằng các hóa chất keo tụ phổ biến là sắt chorua và sắt
sunfat và các polyme như: Drewfloc 447; Flocudex CS/5000; Glocusol CM/78;
Chmifloc CV/300 và Chitosan. Các thí nghiệm được thực hiện trong các cốc 100
ml, trong đó có 40 ml vi khuẩn tảo và khuấy ở 300 vòng/phút trong 1 phút và để
lắng trong 10 phút. Hiệu quả loại bỏ sinh khối S.obliquus, Chlorella, C.
sorokiniana, Chlorococcum sp cao nhất của muối sắt (FeCl 3 và Fe2(SO4)3) đạt
được là 66 – 98% khi ở nồng độ 150 – 250 mg/L. Với nồng độ muối sắt thấp
hơn 50 mg/L hiệu quả loại bỏ tảo thấp. Khi thêm các chất keo tụ thường làm
giảm pH từ 10 – 10,5 xuống 3 – 3,7 ở nồng độ muối sắt 250 mg/L. Bên cạnh
đấy, hiệu quả keo tụ giảm khi sử dụng nồng độ polyme keo tụ quá liều. Trong
thí nghiệm với Chitosan, mặc dù Chitosan có hiệu quả keo tụ tốt nhất trong việc
loại bỏ các vi tảo thường được ghi nhận ở mức nồng độ 25 mg/L, tuy nhiên kết
quả đạt được trong các thí nghiệm này thấp hơn so với các lần trước, cụ thể
hiệu quả loại bỏ dưới 40% đối với C. sorokiniana, Chlorococcum sp. và S.
obliquus, và chỉ đạt 58 ± 8% đối với Chlorella Consortium. Kết quả thấp này có
thể do các hạt keo hữu cơ tương tác với Chitosan. Thí nghiệm với Chitosan với
nồng độ từ 50 – 250 mg/L không thấy làm tăng khả năng loại bỏ sinh khối vi tảo.
pH giảm xuống 3,7 khi tăng liều lượng Chitosan do xuất hiện axit acetic.
6
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đôi t
́ ượng nghiên cưu
́
Nước thải chăn nuôi lợn;
Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp
với màng lọc vi lọc polyme;
Hóa chất keo tụ: phèn sắt Fe2(SO4)3, phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O.
2.2. Phương phap nghiên c
́
ưu
́
2.2.1. Phương phap thu th
́
ập xử lý sô liêu
́ ̣
Đã thu thập, kế thừa các tài liệu, số liệu, nguồn thông tin liên quan từ nhiều
nguồn khác nhau: sách; các bài báo khoa học trong các tạp chí; luận văn… từ thư
viện và các nguồn tài liệu từ internet.
2.2.2. Phương phap phân tich đanh gia
́
́
́
́
Để khảo sát các yếu tố liên quan đến nội dung nghiên cứu , đã tiến hành các
nhóm phân tích đánh giá như sau:
Bang 2.1. Ph
̉
ương pháp phân tích đánh giá
STT
Chỉ tiêu
Thiết bị phân tích
Tiêu chuẩn
1
2
3
4
5
pH
NH4+ (N)
NO3 (N)
NO2 (N)
PO43 (P)
Điện cực đo pH
Điện cực đo NH3N
TCVN 6492:2011
TCVN 6620 – 2000
Máy đo quang UV THERMO
ELECTRON COVPORATION
TCVN 6620 – 2000
6
Ntổng
7
COD
8
9
Độ màu
Độ đục
10
TSS
11
12
TP
Coliform
Thiết bị cất nitơ VELD –
Scientifica (UDK142)
Máy phá mẫu COD (DRB200);
Thiết bị chuẩn độ
Máy đo màu (HI 96727)
Máy đo độ đục HANNA HI93703
Giấy cân, bộ lọc, cân phân tích, tủ
sấy
Bếp phá mẫu; Máy UVVIS
Bộ kit làm vi sinh
2.3. Phương phap th
́ ực nghiêm
̣
7
TCVN 6835 – 2011
TCVN 6491:1999
TCVN 6185:2008
TCVN 6184:1996
TCVN 6625:2000
TCVN 6202:2008
TCVN 61871:2009
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
Thí nhiệm 1: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 1 lít nước thải lấy từ trang trại chăn nuôi
lợn, loc s
̣ ơ bô, loai bo nh
̣
̣
̉ ưng căn l
̃
̣ ơń bằng rây kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ
sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 200 mg/L. Điều chỉnh pH của
hỗn hợp nước thải trong khoảng 5 9, k huấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút,
khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng 60 phút.
Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, TSS, COD, độ đục, độ màu,
NH4+N để đánh giá hiệu quả xử lý, từ đó tìm ra khoảng pH tối ưu [10,20].
Thí nhiệm 2: Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 1 lít nước thải lấy từ trang trại chăn nuôi
lợn, loc s
̣ ơ bô, loai bo nh
̣
̣
̉ ưng căn l
̃
̣ ơń bằng rây kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ
sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ thay đổi từ 400 đến 1200 mg/L.
Điều chỉnh pH tối ưu thu được từ thí nghiệm 1, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong
1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng 60
phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, TSS, COD, độ đục, độ màu,
PO43P để đánh giá hiệu quả xử lý [10,20].
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
̀
̣
2.3.2.1. Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme
Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với
màng vi lọc polyme được bố trí như trên Hình 2.1:
8
Hinh 2.1. Mô hình b
̀
ố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý
1Bể đầu vào (10L); 2Cột yếm khí (8,5L); 3Cột thiếu khí (8,5L); 4Bể hiếu khí
kết hợp lọc màng (13L); 5Bể đầu ra (10L)
Bê yêm khi
̉ ́
́
Bê yêm khi đ
̉ ́
́ ược thiêt kê nh
́ ́ ư trên Hinh
̀ 2.2a băng vât liêu PVC hinh tru
̀
̣
̣
̀
̣
vơi thê tich la
́ ̉ ́
̀8,5 lit.
́
a) Bể yếm khí
b) Bể thiếu khí
Hinh 2.2. C
̀
ấu tạo bể yếm khí, thiếu khí
Bê yêm khi đ
̉ ́
́ ược thiết kê cho dong n
́
̀ ươc thai đi vao t
́
̉
̀ ừ đay côt va đi ra phia
́ ̣ ̀
́
trên cua côt. T
̉
̣ ại đây nước thải sẽ được phân phối đều trên diện tích bể. Nhờ
hỗn hợp bùn yếm khí trong bể mà các chất hữu cơ hoà tan trong nước được hấp
thụ, phân huỷ và chuyển hoá thành khí (khoảng 70 80 % là CH 4, 2030% là CO2).
Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn nổi lên trên làm xáo trộn gây ra dòng tuần
hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng.
Bê thiêu khi
̉
́
́
Bê thi
̉ ếu khi đ
́ ược thiêt kê nh
́ ́ ư trên Hinh 2.2b băng vât liêu PVC hinh tru
̀
̀
̣
̣
̀
̣
vơi thê tich la 8,5 lit.
́ ̉ ́
̀
́ Bê ̉ thiêu khi sô 3 đ
́
́ ́ ược thiêt kê cho n
́ ́
ước thai đi t
̉
ừ đay côt
́ ̣
lên, bên trong chưa gia thê vi sinh. Gia thê vi sinh co tac dung tăng diên tich tiêp
́
́ ̉
́ ̉
́ ́ ̣
̣ ́
́
xuc gi
́ ưa n
̃ ươc thai va vi sinh, phân phôi đêu dong n
́
̉ ̀
́ ̀ ̀ ước thai trong côt.
̉
̣
9
b) Bể thiếu khí
a) Giá thể vi sinh
Hình 2.3. Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí
Bê hiêu khi
̉
́
́
Bê hiêu khi
̉ ́
́tổng thể tích nước hữu dụng 13L, lam băng nh
̀
̀
ựa PVC, thiêt kê
́ ́
như trên Hinh
̀ 2.4.
Hinh 2.4. S
̀
ơ đô bê hiêu khi
̀ ̉
́
́
Mang loc vi l
̀
̣
ọc vật liệu sử dung trong bê hiêu khi co diên tich b
̣
̉ ́
́ ̣ ́ ề mặt 1 m 2
loai s
̣ ợi rỗng, vât liêu Polyvinylidene fluoride. Mang đ
̣
̣
̀ ược cô đinh trong hôp bao
́ ̣
̣
̉
vê hinh hôp va đinh vi cô đinh trên gia đ
̣ ̀
̣
̀ ̣
̣ ́ ̣
́ ỡ. Mang s
̀ ử dung loai b
̣
̣ ơm hut co thê điêu
́ ́ ̉ ̉
chinh l
̉
ưu lượng.
2.3.2.2. Tiến hành thí nghiệm
10
Thí nghiệm 3: Khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải
chăn nuôi bằng hệ sinh học kết hợp mang vi loc polyme
̀
̣
Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được l oc s
̣ ơ bô, loai
̣
̣
bo nh
̉ ưng căn l
̃
̣ ớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm.
Các thông số vân hanh
̣
̀ : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời
gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dòng tuần hoàn so với
dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h. Hệ chạy liên tục [9].
Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lây mâu
́
̃ ở các bể
(đâu vao, sau bê yêm khi, sau bê thiêu khi, sau
̀ ̀
̉ ́
́
̉
́
́
bê hiêu khi
̉ ́
́) tương ưng v
́ ơi cac vi tri
́ ́ ̣ ́
lây mâu
́
̃ M1; M2; M3; M4 vơi mât đô 1 lân/ngay.
́ ̣
̣
̀
̀
Mẫu được phân tich
́ các chi tiêu
̉
: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3, NO2,
PO43 để đánh giá hiệu quả xử lý.
Thí nghiệm 4: khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải
chăn nuôi bằng phương pháp hóa lý kết hợp hệ sinh học
Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được l oc s
̣ ơ bô, loai
̣
̣
bo nh
̉ ưng căn l
̃
̣ ớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất keo tụ là
phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 600 mg/L, điều chỉnh pH khoảng 8, khuấy nhanh 300
vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút và để lắng trong
khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong dẫn vào hệ sinh học kết hợp màng vi lọc
polyme.
Các thông số vân hanh
̣
̀ : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời
gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dòng tuần hoàn so với
dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h. Hệ chạy liên tục [9].
Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lây mâu
́
̃ ở các bể
(đâu vao, sau bê yêm khi, sau bê thiêu khi, sau
̀ ̀
̉ ́
́
̉
́
́
bê hiêu khi
̉ ́
́) tương ưng v
́ ơi cac vi tri
́ ́ ̣ ́
lây mâu
́
̃ M1; M2; M3; M4 vơi mât đô 1 lân/ngay.
́ ̣
̣
̀
̀
Mẫu được phân tich
́ các chi tiêu
̉
: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3, NO2,
PO43 để đánh giá hiệu quả xử lý.
Thí nghiệm 5: khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải
chăn nuôi bằng phương pháp hóa lý kết hợp hệ sinh học
11
Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được l oc s
̣ ơ bô, loai
̣
̣
bo nh
̉ ưng căn l
̃
̣ ớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất keo tụ là
phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 1000 mg/L, điều chỉnh pH khoảng 8, khuấy nhanh
300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút và để lắng
trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong dẫn vào hệ sinh học kết hợp màng vi
lọc polyme.
Các thông số vân hanh
̣
̀ : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời
gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dòng tuần hoàn so với
dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h. Hệ chạy liên tục [9].
Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lây mâu
́
̃ ở các bể
(đâu vao, sau bê yêm khi, sau bê thiêu khi, sau
̀ ̀
̉ ́
́
̉
́
́
bê hiêu khi
̉ ́
́) tương ưng v
́ ơi cac vi tri
́ ́ ̣ ́
lây mâu
́
̃ M1; M2; M3; M4 vơi mât đô 1 lân/ngay.
́ ̣
̣
̀
̀
Mẫu được phân tich
́ các chi tiêu
̉
: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3, NO2,
PO43 để đánh giá hiệu quả xử lý.
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
Thí nhiệm 6: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn nhôm
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết
hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O,
nồng độ 500 mg/L. Hỗn hợp nước thải được điều chỉnh pH trong khoảng 3 9,
khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút
bằng thiết bị jar test và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân
tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý, từ đó tìm ra
khoảng pH tối ưu.
Thí nhiệm 7: Ảnh hưởng của nồng độ đối với chất keo tụ là phèn nhôm
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết
hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo là phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O, nồng
độ thay đổi từ 500 đến 2000 mg/L, điều chỉnh pH tối ưu có được từ thí nghiệm
6, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10
phút bằng thiết bị jar test, để lắng khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân
tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý.
12
Thí nhiệm 8: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết
hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 500
mg/L. Hỗn hợp nước thải được điều chỉnh pH trong khoảng 3 9, khuấy nhanh
300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị
jar test và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ
tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý, từ đó tìm ra được khoảng pH
tối ưu.
Thí nhiệm 9: Ảnh hưởng của nồng độ đối với chất keo tụ là phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết
hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ thay
đổi từ 500 đến 2000 mg/L, điều chỉnh pH tối ưu có được từ thí nghiệm 8, khuấy
nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng
thiết bị jar test, để lắng khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ
tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý.
13
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đăc tinh cua n
̣ ́
̉ ươc thai
́
̉ chăn nuôi lợn
Kêt qua phân tich cac chi tiêu hoa ly va chi tiêu sinh hoc cua n
́
̉
́
́
̉
́ ́ ̀ ̉
̣
̉ ươc thai chăn
́
̉
nuôi lợn được nghiên cưu thê hiên trong Bang
́
̉ ̣
̉ 3.1.
Bang 3.1. Đăc tinh cua n
̉
̣ ́
̉ ươc thai l
́
̉ ợn lây tai đia chi xom Mui – xa Bich Hoa
́ ̣ ̣
̉ ́
́
̃ ́
̀
huyên Thanh Oai – Ha Nôi
̣
̀ ̣
Các chỉ
tiêu
TT
Đơn vị
Giá trị
QCVN 40:2011/
BTNMT (cột B)
QCVN 0179:2011/
BNNPTNT (cột B)
1
pH
7,3 8,5
5,59
5,59
3
TSS
mg/L
800 3000
100
100
4
COD
mg O2/L
2100 7000
150
100
5
BOD5
mg O2/L
1000 3500
50
50
6
NNH4
+
mg/L
140 538
10
10
7
NNO2
mg/L
0,1 0,3
8
NNO3
mg/L
0,2 0,6
9
Ptổng
6
Coliforms
20 75
0,95×106
1,25×106
6
10
mg/L
MPN/
100 mL
5.000
5.000
Theo kêt qua phân tich
́
̉
́ trong Bang
̉ 3.1 cho thây
́ tất cả cac thông sô đăc tr
́
́ ̣ ưng
cho sự ô nhiêm đêu cao h
̃
̀
ơn nhiêu lân
̀ ̀ so với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về
nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), cột B.
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng
phèn sắt
3.2.1. Ảnh hưởng của pH
Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng lớn các hạt rắn và hầu hết chúng là
những hạt keo bền vững. Keo tụ hóa học là một phương pháp có khả năng xử lý
hiệu quả nước thải chuồng lợn do nó có khả năng tách rắn lỏng. Tuy nhiên,
phương pháp keo tụ không thể xử lý triệt để ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi
mà chỉ có thể làm giảm một phần các thông số như COD, SS, độ đục, độ mầu,
nitơ và phốtpho.
14
Tiến hành thí nghiệm như đã mô tả tai mục 2.3.1, chương 2, kết quả thu
được thể hiện trên Hình 3.1:
90
80
70
COD
60
SS
50
Độ đục
40
Độ màu
30
Amoni
ử
ấ
)ệ
stxlý(%
iu
H
20
10
0
pH5
pH6
pH7
pH8
pH9
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt
Từ Bảng 3.2 và Hình 3.1 cho thấy, tại pH khoảng 8, hiệu suất xử lý COD
và SS cao nhất lần lượt là 57,0% và 68,9%. Tại các giá trị pH khác, hiệu suất loại
bỏ độ đục và độ màu đều trên 66% do các chất rắn lơ lửng có trong nước thải
chăn nuôi lợn lắng xuống cùng các hạt keo. Nước thải chăn nuôi được nghiên
cứu có đặc tính độ kiềm cao nên pH tối ưu cho phản ứng keo tụ bằng phèn sắt
sẽ tốn ít chi phi hóa chất và thời gian cho giai đoạn hóa lý.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ
Sau khi đã lựa chọn được pH tối ưu của phèn sắt đối với nước thải chăn
nuôi lợn, tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ. Tiến hành với
nồng độ phèn sắt tăng dần từ 400 – 1200 mg/L ở pH ~ 8. Kết quả thu được thể
hiện trên Hình 3.2.
15
ấ
)ệ
(%
lý
stx
iu
H
ử
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
COD
SS
Độ đục
Độ màu
PO4
200
400
600
800
1000
1200
Nồng độ phèn sắt (mg/l)
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
Kết quả trên đồ thị hình 3.2 nhận thấy, ở pH 8 phèn sắt đạt hiệu quả xử lý
cao nhất khi nồng độ 1000 1200 mg/L. Tại khoảng nồng độ này, hiệu suất xử
lý COD, SS, độ đục, độ màu tương ứng là 6 4,5; 87,5; 80,6 và 87,2%. Ngoài ra,
quá trình keo tụ bằng phèn sắt còn xử lý được một phần phốtpho trong nước thải
chăn nuôi. Hiệu suất xử lý phốtpho đạt lớn nhất 40,1% tại nồng độ chất keo tụ
là 1000 mg/L.
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học
Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học
16
Kết quả cho thấy COD đầu vào dao động trong khoảng lớn, từ 2140 6880
mg/L. Nước thải đầu vào có khoảng dao động lớn như vậy bởi vì nước thải chăn
nuôi không đồng nhất giữa các thời gian xả thải và các ngày. Nước thải bao gồm
phân và nước tiểu của lợn có giá trị COD cao hơn nước thải phần lớn là nước
rửa chuồng, nước tắm cho lợn. Mặt khác, giá trị COD không chỉ xác định qua
nước thải ra hàng ngày của lợn mà bao gồm cả lượng cơ chất sinh ra trong quá
trình phân hủy xác các VSV chết lắng đọng trong nước thải.
Nhìn chung, các thông số đầu vào biến thiên nhưng hiệu suất xử lý của hệ
tương đối ổn dịnh và không dao động quá lớn. Hiệu suất xử lý COD đạt mức từ
85 – 92,8 %. Như vậy mặc dù đặc tính nước thải đầu vào ảnh hưởng đến quá
trình xử lý sinh học nhưng nếu lựa chọn các thông số vận hành hệ xử lý phù hợp
thì hiệu quả xử lý trong quá trình xử lý sinh học sẽ không bị ảnh hưởng nhiều.
3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni
Hinh 3.4. Sự biến thiên NH4+ N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học
Từ kết quả thể hiện trên đồ thị Hình 3.4 nhận thấy, sau khi qua bể yếm khí,
nồng độ amoni có xu hướng tăng lên do trong bể yếm khí, các vi khuẩn sẽ phân
giải các chất hữu cơ và sinh ra NH 3N, và với pH trong bể khoảng 7,9 8,5 nên
sẽ chuyển thành dạng NH4+N. Tại bể yếm khí hiệu suất xử lý NH4+ đạt tỷ lệ
17
thấp khoảng 20% chủ yếu là do vi sinh sinh trưởng xây dựng tế bào, đồng thời
cũng xảy ra hiện tự phân hủy tế bào chết.
Hiệu suất xử lý amoni của hệ sinh học nghiên cứu là tương đối cao 93,0%
đến 96,5%. Amoni được xử lý chủ yếu ở bể hiếu khí. Nguyên nhân là do trong
bể hiếu khí có hàm lượng bùn hoạt tính rất lớn (9000 mg/L) nên làm tăng số
lượng vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, làm tăng khả năng chuyển hóa
amoni. Ngoài ra, amoni còn có thể bị loại bỏ nhờ khả năng lọc rất tốt của màng
lọc. Mặc dù hiệu suất chuyển hóa amoni cao nhưng nồng độ NH 4+ N ở đầu ra
còn cao (7,16 – 22,11 mg/L), điều này là do thời gian lưu chưa đủ dài để hệ vi
sinh có thể chuyển hóa hoàn toàn lượng amoni.
3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat
Hàm lượng nitrat và nitrit trong nước thải đầu vào rất nhỏ, chỉ khoảng < 0,6
mg/L. Nitrat, nitrit là sản phẩm trong quá trình chuyển hóa amoni. Kết quả phân
tích chuyển hóa amoni thành nitrat trong bể hiếu khí được thể hiện trên Hình 3.5.
Hình 3.5. Diễn biến NO3N theo thời gian
Nhận thấy nitrat sau bể hiếu khí khá cao, dao động từ 70 – 150 mg/L.
Nguyên nhân là do quá trình nitrat hóa xảy ra gần như hoàn toàn nên hầu hết
amoni được chuyển hóa thành nitrat. Lượng NH4+N đầu vào dao động 139,9 –
538,2 mg/L nên lượng NO3N được hình thành cũng tương đương. Để xử lý
nitrat cần môi trường thiếu khí. Do đó, nitrat đầu ra bể hiếu khí được tuần hoàn
lại bể thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat. Hiệu suất khử nitrat phụ thuộc
18
vào tỷ lệ dòng tuần hoàn. Với tỷ lệ dòng tuẩn hoàn 300%, hiệu suất xử lý nitrat
của hệ đạt được 40 – 72,5%.
3.3.4. Hiệu suất xử lý PO43P
Khả năng xử lý PO43P được biểu diễn trên Hình 3.6.
Hình 3.6. Diễn biến PO43P qua các bể theo thời gian
Quan sát trên đồ thị Hình 3.6 nhận thấy, nồng độ PO43P đầu vào của nước
thải chăn nuôi lợn dao động trong khoảng từ 24,7 – 47,7 mg/L. Hiệu suất xử lý
PO43P của hệ trong nghiên cứu đạt 79 – 91%, tương ứng đầu ra 3,1 – 7,6 mg/L.
Nhận xét:
Đặc tính nước thải đầu vào ảnh hưởng tới quá trình xử lý các chất ô
nhiễm trong hệ xử lý như nồng độ chất chất ô nhiễm đầu vào, giá trị pH …
Trong quá trình vận hành hệ xử lý nước thải đầu vào cần đưa vào bể yếm
khí có tác dụng giảm thiểu sự dao động các thông số ô nhiễm đầu vào cho hệ xử
lý. Với việc bố trí hệ xử lý nhiều giai đoạn: yếm khi, thiếu khí, hiếu khí kết hợp
màng lọc để xử lý nước thải chăn nuôi lợn giàu chất dinh dưỡng cho hiệu quả
rất khả quan. Với thời gian lưu 4 ngày, hiệu quả xử lý COD, NH 4+N, NO3N và
PO43P lần lượt là 85 – 92,8 %, 93,0% 96,5%, 40 – 72,5%, và 79 – 91%.
Do đặc tính nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng cặn lơ lửng cao, toàn bộ
lượng cặn này sẽ đi vào bể yếm khí nếu không có giai đoạn tiền xử lý trước sinh
học dễ xảy ra hiện tượng tắc nghẽn bể yếm khí. Vì vậy, chế độ vận hành yêu
cầu khắt khe hơn, thời gian xả bùn bể yếm khí ngăn hơn (trung bình từ 10 đến
19
15 ngày) sẽ làm xáo trộn hệ VSV yếm khí, ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Do đó,
loại bỏ một phần SS, COD ở giai đoạn tiền xử lý là cần thiết.
3.3.5. Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme
Để đánh giá khả năng lọc vi sinh của màng lọc vi lọc, tiến hành lấy mẫu
phân tích khảo sát nồng độ Coliforms với tần suất 2 ngày/lần. Hiệu suất xử lý
coliform sau màng vi lọc polyme đạt được rất cao từ 99,97 99,98% tương ứng
đầu ra là 200 400 MPN/100 ml. Điều này được giải thích là do kích thước hạt
bùn lớn hơn kích thước lỗ màng, toàn bộ bùn bị giữ lại trong bể hiếu khí. Chỉ
tiêu vi sinh đạt tiêu chuẩn xả thải loại A QCVN 40:2011/BTNMT.
3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn tiền xử lý keo tụ bằng
phèn sắt kết hợp sinh học
Do đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn nhiều cặn lơ lửng và thành COD cao
nên rất cần thiết phải có giai đoạn tiền xử lý mục đích để giảm tải lượng đầu
vào hệ sinh học và tăng thời gian lưu của bùn yếm khí.
Giai đoạn tiền xử lý bằng phương pháp hóa lý
Nước thải đầu vào sinh học: loc s
̣ ơ bô, loai bo nh
̣
̣
̉ ưng loai căn l
̃
̣ ̣ ơn b
́ ằng rây
lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm.
Xử lý keo tụ nước thải chăn nuôi đầu vào giảm 50% COD: nồng độ phèn
sắt 600 mg/L, pH ~ 8;
Xử lý keo tụ nước thải chăn nuôi đầu vào tại điều kiện tối ưu: nồng độ
phèn sắt 1000 mg/L, pH ~ 8.
Giai đoạn xử lý sinh học: nước thải chăn nuôi được mô ta ̉ ở muc 2.3.2.
̣
Hiệu suất xử lý COD của các thi nghiệm thể hiện trên Hình 3.7 như sau:
20
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học
Từ kết các kết quả Thí nghiệm 3, 4 và 5 có thể thấy rằng hiệu suất xử lý
COD khi kết hợp thêm giai đoạn hóa lý cho hiệu suất cao hơn, ổn định hơn, COD
đầu ra thấp hơn. Cụ thể, hiệu suất xử lý COD trong điều kiện keo tụ bằng phèn
sắt 1000 mg/L là lớn nhất, đạt 96,9 – 98,25%. Khi tiền xử lý với nồng độ phèn
sắt 600 mg/L, hiệu suất xử lý COD của hệ đạt 92,47 – 97,9%.
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
3.5.1. Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR
Nước thải chăn nuôi lợn sau khi được xử lý qua hệ sinh học kết hợp màng
lọc MBR có đặc điểm như trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học
kết hợp lọc màng MBR
STT
Chỉ tiêu
QCVN 40:2011/
Đơn vị
Giá trị
7,8 – 8,5
5,5 9
mg O2/L
220 368
150
BTNMT (loại B)
1
pH
2
COD
3
NH4+N
mg/L
3,5 – 9
10
4
Màu
PtCo
310 550
150
3.5.2. Ảnh hưởng của pH
Tiến hành thí nghiệm như đã mô tả tai mục 2.3.3, chương 2, kết quả thu
được thể hiện trên Hình 3.9:
21