Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc màng vi lọc :

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

----------------

HOÀNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƢỚC
THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH
HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013


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

----------------

HOÀNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô NHIỄM TỪ NGUỒN NƢỚC
THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH
HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG VI LỌC

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 – 2013


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
HOÀNG VĂN TUẤN


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS. Trần
Văn Quy, Trưởng phòng thí nghiệm 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, người 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.
Xin cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Học viên
HOÀNG VĂN TUẤN


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN.................................................................................... 3
1.1. Tổng quan phương pháp xử lý sinh học trong xử lý nước thải ..................... 3
1.1.1. Phương pháp sinh học k kh trong xử lý nước thải ......................... 4
1.1.2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu kh trong xử lý nước thải ............. 5
1.2. Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nước thải ........... 5
1.2.1. Đ nh ngh a về màng lọc .................................................................... 5
1.2.2. Phân loại màng lọc ............................................................................ 6
1.2.3. Vật liệu, cấu tr c màng, các thông số màng ..................................... 9
1.3. Đặc t nh nước thải chăn nuôi và thực trạng quản lý, xử lý ......................... 12
1.3.1. Tổng quan đặc t nh nước thải chăn nuôi l n 1,2,3,6 .................... 12
1.3.2. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi l n 5,7,9 ................ 14
1.4. Xử lý nước thải chăn nuôi b ng công nghệ M R ...................................... 23
1.4.1. Mục tiêu của hệ thống xử lý [8] ...................................................... 25
1.4.2. Đặc điểm các giai đoạn xử lý .......................................................... 26
CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 33

2.1. Đối tư ng nghiên cứu .................................................................................. 33
2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 33
2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu .......................................................... 33
2.2.2. Phương pháp phân t ch đánh giá ..................................................... 33
2.3. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................... 35


2.3.1. Nghiên cứu xây dựng, chế tạo hệ xử lý sinh học ............................ 35
2.3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý ................... 43
2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố ................................................. 44
CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 46
3.1. Đặc t nh của nước thải ................................................................................ 46
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của đặc t nh nước thải đầu .......................................... 47
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của biến thiên n ng độ bùn hoạt t nh ......................... 49
3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực T ...................................... 51
3.5. Khảo sát ảnh hưởng của n ng độ bùn ......................................................... 55
3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ sục kh ....................................................... 56
3.7. Đánh giá khả năng tách loại chất rắn lơ lửng .............................................. 58
3.8. Đánh giá chất lư ng nước sau xử lý so với tiêu chu n nước thải ............... 59
3.9. Quá trình lọc và hiện tư ng tắc nghẽn màng lọc ......................................... 64
3.10. Đánh giá t nh khả thi và khả năng áp dụng trong thực tế .......................... 67
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71


DANH MỤC BẢNG
ảng 1. So sánh các vật liệu cấu tạo màng ............................................................... 11
ảng 2. Thông số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung 2 .......... 13
ảng 3. Một số loại thực vật thuỷ sinh tiêu biểu ...................................................... 23
ảng 4. Kết quả xử lý áp dụng M R ........................................................................ 25

ảng 5. Đặc t nh của nước thải l n lấy tại đ a ch xóm M i – xã

ch H a ............ 46

ảng 6. Một số đặc t nh của nước thải chăn nuôi l n đầu vào hệ xử lý ................... 47
ảng 7 . Mật độ coliform (MPN/100 ml) trước và sau hệ xử lý ............................... 58
ảng 8. Thông số độ đục (NTU) của nước thải đầu ra hệ xử lý ............................... 58
ảng 9. So sánh kết quả xử lý của M R và các phương pháp khác ........................ 64


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Quá trình tách b ng màng .............................................................................. 6
Hình 2. Thông số các loại màng lọc ............................................................................ 7
Hình 3. Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công nghệ M R ............... 9
Hình 4. Một số cấu tr c của màng ............................................................................ 10
Hình 5. Sơ đ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm (k ) kh ............................... 15
Hình 6. Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi phổ biến ở Việt Nam hiện nay ........... 17
Hình 7 . Quá trình xử lý nước thải chăn nuôi b ng phương pháp M R ................... 24
Hình 8. Sơ đ khối hệ xử lý ..................................................................................... 35
Hình 9. Sơ đ cấu tạo hệ thống ................................................................................ 36
Hình 10 . Sơ đ cấu tạo bể đầu vào ........................................................................... 37
Hình 11. Sơ đ cấu tạo bể yếm kh ........................................................................... 37
Hình 12. Sơ đ cấu tạo bể thiếu kh .......................................................................... 38
Hình 13. Giá thể vi sinh trong bể yếm kh ................................................................ 39
Hình 14. Sơ đ bể hiếu kh ....................................................................................... 39
Hình 15. (a) Nguyên lý làm việc của s i màng......................................................... 41
Hình 13. Đ th biến thiên hiệu suất xử lý của nước thải qua hệ xử lý..................... 48
Hình 14. Đ th biến thiên hiệu suất xử lý COD,N-NH4+ theo sự biến thiên.......... 49
Hình 15. Đ th biến thiên n ng độ N-NO3-, N-NO2- theo sự biến thiên ................. 50
Hình 16. Đ th biến thiên hiệu suất xử lý COD với các .......................................... 52

Hình 17. Đ th biến thiên hiệu suất xử lý N-NH4+ với các ..................................... 53
Hình 18. Đ th biến thiên n ng độ N- NO3- với các ................................................ 53
Hình 19. Đ th biến thiên n ng độ N-NO2- với các ................................................. 54
Hình 20. Đ th biến thiên áp suất màng khi thay MLSS ......................................... 55


Hình 21. Đ th biến thiên áp suất màng với các tốc độ sục kh ............................... 57
Hình 22. Đ th biến thiên giá tr pH ........................................................................ 60
Hình 23. Đ th biến thiên giá tr COD trong hệ xử lý ............................................. 60
Hình 24. Đ th biến thiên n ng độ NH4 trong hệ xử lý ........................................... 61
Hình 25. Đ th biến thiên n ng độ N-NO3- trong hệ xử lý ..................................... 62
Hình 26. Đ th biến thiên n ng độ N-NO2- trong hệ xử lý ...................................... 62
Hình 27. Đ th biến thiên n ng độ TP trong hệ xử lý ............................................. 62
Hình 28. Hình ảnh hiện tư ng bùn bám gây tắc màng lọc (trái) .............................. 65
Hình 29. Các phương pháp làm sạch màng .............................................................. 67


DANH MỤC VIẾT TẮT
BIOGAS

Kh sinh học (Biological Gas);

HRT

Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time);

MLSS

Hàm lư ng chất rắn lơ lửng (Mixed Liquor Suspended
Solid);

MLVSS

Hàm lư ng chất hữu cơ bay hơi (Mixed Liquor Volatile
Suspended Solid;

MBR

Hệ thống xử lý vi sinh của nước thải b ng công nghệ lọc
màng (Membrance Bio Reacto);

SRT

Thời gian lưu bùn (Sludge retention time);

TP

Tổng phốtpho (mg/L);

QCVN

Quy chu n Việt Nam;

TCVN

Tiêu chuần Việt Nam;

TVTS

Thực vật thủy sinh;

UASB

Upflow anearobic sludge blanket - bể xử lý sinh học d ng
chảy ngư c qua tầng bùn k kh ;

VSV

Vi sinh vật;

XLNT

Xử lý nước thải.


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nóng bỏng, ảnh hưởng trực tiếp tới
chất lư ng cuộc sống của con người và môi trường sống xung quanh. Trong những
năm gần đây, ngành chăn nuôi l n phát triển với tốc độ rất nhanh nhưng chủ yếu là
tự phát và chưa đáp ứng đư c các tiêu chu n kỹ thuật về chu ng trại và kỹ thuật xử
lý nước thải đã gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng [8].
Nước thải chăn nuôi là ngu n thải có chứa nhiều h p chất hữu cơ, virus, vi
trùng, trứng giun sán… Ngu n thải này có nguy cơ gây ô nhiễm tầng nước mặt,
nước ngầm và trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh d ch bệnh cho đàn gia súc.

Đ ng thời có thể lây lan một số bệnh cho người và ảnh hưởng đến môi trường xung
quanh vì nước thải chăn nuôi thường có hàm lư ng nitơ và phôtpho rất cao và khó
xử lý triệt để. Nước thải chứa nhiều nitơ và phốtpho sẽ gây ra hiện tư ng ph dưỡng
(khi nước có hàm lư ng nitơ lớn hơn 30-60 mg/l, phốtpho lớn hơn 4-8 mg/l). Phú
dưỡng là sự gia tăng lư ng nitơ và phốtpho trong ngu n nước ở các thuỷ vực, gây ra
sự bùng phát các thực vật bậc thấp (tảo, rong,…). Vì vậy, tuy các h p chất nitơ và
phốtpho là hết sức cần thiết cho sự sinh trưởng của các sinh vật thuỷ sinh, nhưng
khi hàm lư ng các chất này vư t quá tiêu chu n cho phép thì nó lại gây ô nhiễm cho
ngu n nước.
Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi l n đều
để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối n ng nặc, đặc
biệt là vào những ngày oi bức. N ng độ kh H2S và NH3 cao hơn mức cho phép
khoảng 30 - 40 lần 3 . Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất
nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi l n c n có chứa COD, T-N, T-P,... cao hơn
rất nhiều lần so với tiêu chu n cho phép 1,3 . Ch nh vì vậy có thể thấy r ng ở nước
ta, một thực trạng là vấn đề xử lý ngu n nước thải ô nhiễm này thường b bỏ qua
hoặc b ng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả và bền vững. Hầu hết các hệ thống
hiện nay đư c triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chu n thải, khi sử dụng
những công nghệ đơn giản ch phù h p cho xử lý những ngu n nước thải có tải
trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với ngu n nước thải đặc thù này. Nói cách khác các

Khóa 19-CHMT

1

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

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 đư c các tiêu chu n thải theo quy đ nh của tiêu chu n
ngành chăn nuôi.
Ch nh vì vậy, việc lựa chọn và thực hiên đề tài: “Nghiên cứu giảm thiểu ô
nhiễm từ nguồn nước thải chăn nuôi lợn bằng kỹ thuật xử lý sinh học kết hợp lọc
màng vi lọc” là có ý ngh a khoa học và thực tiễn nh m phát triển nghiên cứu và ứng
dụng công nghệ tiên tiến xử lý nước thải trong l nh vực bảo vệ môi trường tại Việt
Nam.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Nghiên cứu khảo sát các thông số cơ bản của quá trình xử lý nước thải chăn
nuôi l n b ng phương pháp sinh học kết h p lọc màng vi lọc;
- Đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý quy mô ph ng th nghiệm (công suất
thiết kế khoảng 45 L/ngày);
- Đánh giá t nh khả thi và khả năng áp dụng thực tế của hệ thống xử lý.

Khóa 19-CHMT

2

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan phƣơng pháp xử lý sinh học trong xử lý nƣớc thải
Phương pháp sinh học đư c ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ h a tan có
trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nitơ… dựa
trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi
sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn. Một cách tổng
quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại 5,8,10 :
- Phương pháp yếm kh , k kh sử dụng nhóm vi sinh vật k kh , hoạt động
trong điều kiện không có oxy;
- Phương pháp hiếu kh sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu kh , hoạt động trong
điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh gọi là quá trình oxy hóa sinh
hóa trong hệ thống xử lý nước thải. Đề thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ h a
tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế
bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn ch nh như sau:
-

Chuyển các chất ô nhiễm t pha lỏng đến bề mặt tế bào sinh vật;

-

Khuếch tán t bề mặt tế bào qua màng bán thấm so sự chênh lệch n ng độ
bên trong và bên ngoài tế bào;

-

Chuyên hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lư ng và tổng
h p tế bào mới.

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào n ng độ chất hữu cơ, hàm

lư ng các tạp chất và mức độ ổn đ nh của lưu lư ng nước thải vào hệ thống xử lý.
Ở mỗi điều kiện xử lý nhất đ nh, các yếu tố ch nh ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lư ng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh
dưỡng và các yếu tố vi lư ng.

Khóa 19-CHMT

3

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

1.1.1. Phư ng ph p sinh học k kh trong xử lý nước thải
Quá trình phân hủy k kh các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo
ra hàng trăm sản ph m trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình
phản ứng sinh hóa trong điều kiện k kh có thể biểu diễn đơn giản như sau
[5,8,10]:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ

CH 4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

Tế bào mới

Một cách tổng quát quá trình phân hủy k kh xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các h p chất cao phân tử;
- Giai đoạn 2: acid hóa;
- Giai đoạn 3: acetate hóa;
- Giai doạn 4 trong quá trình k kh xử lý nước thải: methan hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất
béo, carbohydrates, celluloses, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ đư c cắt mạch
tạo những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ
chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo
thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại đư c tiếp
tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là
acetic acid, propionic acid và lactic acid.

ên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các

rư u đơn giản khác cũng đư c hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrate. Vi
sinh vật chuyển hóa methan ch có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất đ nh như
CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý k kh trong xử lý
nước thải thành:
- Quá trình xử lý k kh với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình
tiếp x c k kh (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý b ng lớp bùn k kh
với d ng nước đi t dưới lên (UAS );

Khóa 19-CHMT

4

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

- Quá trình xử lý k kh với vi sinh vật sinh trưởng dạng d nh bám như quá
trình lọc k kh (Anaerobic Filter Process).
1.1.2. Phư ng ph p xử lý sinh học hiếu kh trong xử lý nước thải
Quá trình xử lý sinh học hiếu kh nước thải g m ba giai đoạn 4,5 :
- Oxy hóa các chất hữu cơ;
- Tổng h p tế bào mới;
- Phân hủy nội bào.
Các quá trình xử lý sinh học b ng phương pháp hiếu kh trong bể xử lý nước
thải có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý
nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình
xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều. Tùy theo trạng thái t n tại của vi sinh
vật, quá trình xử lý sinh học hiếu kh nhân tạo có thể chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu kh với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu
đư c sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt t nh, h làm
thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu kh .
Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt t nh là quá trình phổ biến nhất.
- Xử lý sinh học hiếu kh với vi sinh vật sinh trưởng dạng d nh bám như quá
trình bùn hoạt t nh d nh bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đ a sinh học, bể phản
ứng nitrate với màng cố đ nh.
1.2. Tổng quan về kỹ thuật lọc màng và ứng dụng trong xử lý nƣớc thải
1.2.1. Đ nh ngh a v màng lọc

Màng đư c đ nh ngh a là một thiết b tạo ngăn cách, cho phép tách chọn lọc
các h p chất. Nói cách khác, một màng lọc ngăn cản chuyển động khối nhưng nó lại
cho phép một hoặc nhiều chất đi qua. Tách b ng màng đư c thực hiện theo nguyên
lý vật lý, có ngh a là những thành phần đư c tách không có bất kỳ thay đổi nào về
hoá học hoặc nhiệt [8,15,16].
Quá trình hoạt động của màng đư c thể hiện trên Hình 1.

Khóa 19-CHMT

5

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

Hình 1. Qu trình t ch bằng màng
1.2.2. Phân loại màng lọc
Màng lọc có thể được phân loại theo :
- Theo k ch thước lỗ: màng 0,1 µm, màng 2 nm …;
- Theo vật liệu màng: màng polyme, màng gốm, màng kim loại …;
- Theo cơ cấu lọc: màng phẳng, màng cuốn, ống thẳng, s i rỗng – bó s i …;
- Theo cơ chế lọc: 2 cơ chế lọc theo k ch thước (MF, UF) và khuếch tán (RO), trung
gian: NF;
- Phân loại theo động lực của quá trình:
1. Áp lực: RO, NF, UF, MF; tách- lọc kh ; màng tách hơi (pervaporation);

2. Thể hóa học: (dialys – th m tách, Donan dialys, màng chưng cất); chiết
màng (tách dung môi);
3. Điện thế: điện th m tách
4. Chênh lệch nhiệt độ: chưng cất màng

Khóa 19-CHMT

6

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

Hình 2. Thông số c c loại màng lọc
Thông thường, màng lọc MF có k ch thước lỗ khoảng 0,1 - 10µm, màng UF
là 0,002 – 0,1 µm, c n màng NF và RO có k ch thước lỗ nhỏ hơn rất nhiều so với
MF và UF. Do đó, quá trình MF và UF có thể có độ thấm cao hơn với áp suất sử
dụng nhỏ hơn so với quá trình NF và RO. Hơn nưa, với cơ chế tách loại, màng áp
suất thấp (MF và UF) có thể hình dung như một cái rây lọc nên dẫn đến lỗ rỗng lớn
hơn, trong khi màng lọc áp suất cao (NF và RO) không đơn thuần ch phân loại
dựa theo k ch thước.

 Màng tinh lọc
Tinh ( vi ) lọc (MF) dùng để loại bỏ các cặn có k ch thước lớn, các đại phân tử
đư c tách ra t các phân tử lớn khác, protein, hay các mảnh vỡ tế bào. Ứng dụng

quan trọng trong lọc nước đơn giản ở các chu trình cuối, v dụ dùng trong lọc nước

Khóa 19-CHMT

7

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

ép trái cây, sữa, rư u vang, bia và dư c ph m vô trùng. Màng tinh lọc hoạt động ở
áp suất tương đối thấp.
 Màng siêu lọc
Siêu lọc (UF) là một quá trình lọc có áp lực loại bỏ dầu, hydroxit kim loại,
chất keo, nhũ tương, chất rắn lơ lửng, vi khu n, và hầu hết các phân tử lớn t nước
và các dung d ch khác. Màng UF ứng dụng trong lọc dầu, nước ép trái cây, sữa và
sữa chua, sơn, dư c ph m, rư u nước uống, và nước thải cấp ba. Màng siêu lọc có
k ch thước lỗ khoảng 0,01 micron có thể loại bỏ một số virus, trong khi màng tinh
lọc có k ch thước lỗ khoảng 0,1 micron, ch có thể loại bỏ một số loài vi sinh vật
không bao g m virus. Tuy nhiên cả tinh lọc và siêu lọc đều không thể loại bỏ các
chất h a tan, tr khi các chất này đư c hấp phụ trước b ng than hoạt t nh hoặc
đư c keo tụ b ng phèn nhôm hoặc sắt.
 Màng lọc Nano
Màng lọc Nano (NF) có k ch thước lỗ khoảng 0,001 micron. Có chức năng
tương tự như màng th m thấu ngư c, nhưng thường đư c sử dụng để loại bỏ các

ion đa hóa tr , các chất hữu cơ đơn phân tử, gần như tất cả các virus, hầu hết các vật
chất hữu cơ tự nhiên và các muối. Các ion đơn tr như Na, Cl sẽ đi qua nó, do đó nó
thường đư c sử dụng cho quá trình tiền lọc trong khử muối nước mặn. Trong xử lý
nước, màng NF có thể đư c sử dụng để làm mềm nước, loại bỏ thuốc tr sâu, khử
màu.
 Màng thẩm thấu ngược
Màng th m thấu ngư c (RO) có k ch thước lỗ khoảng 0,0001 micron. Ngoài
việc loại bỏ tất cả các phân tử hữu cơ và virus, màng RO loại bỏ hầu hết các ion
đơn tr , các khoáng chất có mặt trong nước. do đó màng RO đư c ứng dụng phổ
biến trong khử muối, khử mặn, khử khoáng để sản xuất nước tinh khiết với t nh
kinh tế cao hơn so với phương pháp chưng cất.

Khóa 19-CHMT

8

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

1.2.3. Vật li u cấu tr c màng c c thông số màng
Các màng lọc đư c sử dụng phổ biến nhất là màng gốm và màng polyme. Nói
chung, các màng polyme không đắt c n màng gốm có đặc điểm là độ bền đối với
hoá chất cao. Nhiều dạng modun khác nhau của màng polyme đã đư c sử dụng
trong xử lý nước thải [8].

Các vật liệu màng lọc polyme phổ biến hiện nay đư c dùng trong hệ thống
M R có thể kể đến như polysulfone, polypropylene, polyetylene, polyvinylidene
fluoride. Tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, dạng hình học của modun và màng có thể
đư c chế tạo khác nhau cho ứng dụng thực thế chủ yếu ở hai dạng tấm phẳng (flat
sheet) và s i rỗng (hollow fibre) như thể hiện trong Hình 3.

(a)

(b)

Hình 3. Modul màng lọc polyme sử dụng phổ biến trong công ngh MBR
a) modul màng lọc dạng tấm phẳng; b) modul màng lọc dạng sợi rỗng
Khi chọn vật liệu màng lọc để ứng dụng cho một số quá trình tách, ch ng ta
cần phải lưu ý đến một số tiêu ch như độ bền với hoá chất, t nh hấp phụ .v.v. ên
cạnh các sản ph m tự nhiên như là xenlulo axetat, các vật liệu polyme khác như
polyamit, polysulfon, polypropylen và polyetylene cũng như các vật liệu gốm
thường đư c sử dụng. Tuỳ thuộc vào l nh vực ứng dụng, những ưu và như c điểm
của các loại vật liệu khác nhau cần đư c so sánh và đánh giá. Mặc dù màng lọc gốm
có một số ưu thế hơn so với màng polyme, nhưng ngày nay các hệ màng ngập nước

Khóa 19-CHMT

9

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

thường đư c chế tạo bởi các vật liệu polyme bởi vì thành phần hoá học của những
vật liệu này có thể dễ dàng thay đổi để đáp ứng các yêu cầu khác nhau nh m tiết
kiệm chi ph . Cấu tr c bề mặt của các màng lọc có ảnh hưởng quyết đ nh đến t nh
chọn lọc và khả năng th m thấu cũng như các t nh chất cơ học như là sức bền đối
với áp suất. Một số cấu tr c màng lọc (đ ng nhất, không đ ng nhất, hay kết h p)
đư c trình bày ở hình 1.3.

Líp ph©n
c¸ch Gi¸

Líp t¸ch
vµ ®ì

Hình 4. Một số cấu tr c của màng
Màng lọc đ ng nhất có đường k nh lỗ xốp đ ng đều trong khi đó đường k nh
lỗ xốp của màng không đ ng nhất biến đổi, những lỗ xốp nhỏ hơn quyết đ nh quá
trình lọc hệ lơ lửng. Hai loại màng trên có thể đư c chế tạo t một loại vật liệu
trong khi màng kết h p composit có t nhất hai lớp (có thể đư c chế tạo t các vật
liệu khác nhau). Ngư c lại với màng lọc đ ng nhất và không đ ng nhất, đối với
màng kết h p cơ chế tách đư c diễn ra trên một lớp trong khi lớp c n lại ch u tác
động lực cơ học (chức năng đỡ). Tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, dạng hình học của
module và màng có thể đư c chế tạo khác nhau cho ứng dụng thực thế.
Màng dạng s i và ống mao dẫn, quá trình lọc thực hiện t ngoài vào trong do
các s i màng có đường k nh t 0,2 đến 4 mm nên các hạt b n có thể gây tắc d ng
chảy.
Một modun màng s i hay mao quản có thể g m nhiều bó màng lọc, bó màng
bao g m một số lớn các s i màng lọc đư c bó lại và cố đ nh hai đầu nơi thu nước.

Các màng lọc dạng s i và dạng mao quản nói chung đư c chế tạo t polyme mặc dù
một số màng lọc mới phát triển đư c làm t gốm. Màng lọc dạng ống và tấm phẳng

Khóa 19-CHMT

10

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

có thể đư c làm t nhiều vật liệu hữu cơ và vô cơ. So sánh các loại vật liệu cấu tạo
màng đư c thể hiện trong ảng 1.
Bảng 1. So s nh c c vật li u cấu tạo màng
Ƣu điểm

Polyme

Nhƣợc điểm

Ứng dụng

Ch u kiềm kém (pH >6)
Ch u clo, giá thành thấp
CA

Chống tắc tốt hơn PA

vi khu n phân hủy
Độ bền nhiệt, bền hóa kém

RO, NF, UF

D ng thoát hơi thấp
PA

PAN
PSU,

Nhìn chung bền hơn
CA

Dễ b clo phá hủy (~0,1
mg/l)

ền thủy phân

Ưa nước

UF, đệm cho

ền ô xi hóa

R n, cần tạo copolyme

RO

T nh cơ – lý – hóa tốt

UF, đệm cho

K nước

RO

PES
PVDF
PTFE

RO, NF

Rất bền hóa chất
ền nhiệt

PEI

Rất bền hóa, nhiệt, cơ

PP

Rẻ

Rất k nước, đắt
Kém bền cơ học, độ thấm

UF, MF

kém
K nước, ch u dung môi

UF, đệm cho

kém

RO

K nước

UF, MF

Trên thực tế, không phải loại vật liệu polyme nào cũng đư c sử dụng. Việc lựa
chọn polyme phải dựa trên quá trình chế tạo màng, các điều kiện vận hành phin lọc
(sự b t tắc, sự tương tác của chất tan...) và t nh bền nhiệt và hóa học. Các vật liệu
màng lọc polyme phổ biến hiện nay đư c dùng trong hệ thống M R có thể kể đến
như polysulfone (PS), polypropylene (PP), polyetylene (PE), polyvinylidene
fluoride (PVDF). Ưu điểm của ch ng là khả năng tạo màng phim tốt, đặc t nh cơ

Khóa 19-CHMT

11

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

học tốt và ch u nhiệt và ch u hóa chất. Như c điểm ở chỗ bản chất của ch ng là k
nước nên dẫn đến dễ đóng cặn trên bề mặt màng.
1.3. Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi và thực trạng quản lý, xử lý các nguồn nƣớc
thải chăn nuôi tại Việt Nam
1.3.1. Tổng quan

c t nh nước thải chăn nuôi lợn [1,2,3,6]

Chất thải chăn nuôi chia ra thành 3 nhóm:
 Chất thải rắn: Phân, chất độn, lông, chất hữu cơ tại các l mổ...
 Chất thải lỏng: nước tiểu, nước rửa chu ng, tắm rửa gia s c, vệ sinh l mổ,
các dụng cụ…
 Chất thải kh : CO2, NH3, CH4…
Chất thải rắn và nước thải. Chất thải rắn chủ yếu là phân, rác, thức ăn th a của
vật nuôi.... Chất thải rắn chăn nuôi l n có độ m t 56-83%, tỷ lệ N, P, K cao, chứa
nhiều h p chất hữa cơ, vô cơ và một lư ng lớn các vi sinh vật, trứng các ký sinh
trùng có thể gây bệnh cho người và vật nuôi.
Tùy theo đặc điểm chu ng nuôi và hình thức thu gom chất thải, chất thải chăn
nuôi l n bao g m: chất thải rắn, nước tiểu, nước thải chăn nuôi (hỗn h p phân, nước
tiểu, nước rửa chu ng...
Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi l n đều
để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối n ng nặc, đặc
biệt là vào những ngày oi bức. N ng độ kh H2S và NH3 cao hơn mức cho phép
khoảng 30-40 lần 8 . Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất
nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi l n c n có chứa COD, T-N, T-P,... cao hơn

rất nhiều lần so với tiêu chu n cho phép ( ảng 2) 1,2].
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 lư ng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P
và VSV gây bệnh. Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện
chăn nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi l n có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà

Khóa 19-CHMT

12

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

Tây, Ninh ình, Nam Đ nh, Quảng Nam, ình Dương, Đ ng Nai cho thấy đặc điểm
của nước thải chăn nuôi 1 :
Bảng 2. Thông số nước thải theo i u tra tại c c trại chăn nuôi tập trung [2]
Trại

Trại

Trại

Trại

Trại

Đan

Thụy

Tam

Gia

Hồng

Phuợng

Phƣơng

Điệp

Nam

Điệp

7,15

7,26

7,08

6,78

6,83

7,02 ± 0,24

BOD5 mg/l 1339,4

1080,7

882,3

783,4

1221,2

1061,40 ± 278

COD mg/l 3397,6

2224,5

1924

1251,6

2824,5

2324,6 ± 1073

mg/l 4812,8

4568,4

3949

4012,8

4720,4

4412,8 ± 400

Chỉ

Đơn

tiêu

vị

pH

TDS

TB±SD

TP

mg/l

99,4

80.2

69,4

57,4

85,6

78,40 ± 21

TN

mg/l

332,8

280,1

250,9

204,8

275,4

268,80 ± 64

Chất thải lỏng trong chăn nuôi (nước tiểu vật nuôi, nước tắm, nước rửa
chu ng, vệ sinh dụng cụ, ...) ước t nh khoảng vài chục nghìn tỷ m3 /năm.
 Các chất hữu cơ: h p chất hữu cơ chiếm 70–80% bao g m cellulose, protit,
acid amin, chất béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của ch ng, thức ăn th a.

Các chất vô cơ chiếm 20–30% g m cát, đất, muối, ure, ammonium, muối
chlorua, SO42-,…
 N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia s c, gia cầm rất kém, nên
khi ăn thức ăn có chứa N và P thì ch ng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước
tiểu. Trong nước thải chăn nuôi heo thường chứa hàm lư ng N và P rất cao.
Hàm lư ng N-tổng = 200 – 350 mg/l trong đó N-NH4 chiếm khoảng 80-90%;
P_tổng = 60-100mg/l.
 Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và
trứng ấu trùng giun sán gây bệnh.

Khóa 19-CHMT

13

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

1.3.2. C c phư ng ph p xử lý nước thải chăn nuôi lợn [5,7,9]
Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau:
Phương pháp xử lý cơ học;
Phương pháp xử lý hóa lý;
Phương pháp xử lý sinh học.
Trong các phương pháp trên, xử lý sinh học là phương pháp ch nh, các công
trình xử lý sinh học thường đư c đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý.

a. Xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn bằng phƣơng pháp cơ học và hóa lý
 Xử lý cơ học
Mục đ ch là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn h p nước thải b ng cách thu
gom, lắng cặn. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng... để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều
kiện xử lý và giảm khối t ch các công trình ph a sau.
 Xử lý hóa lý
Sau khi xử lý cơ học, nước thải c n chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có k ch
thước nhỏ, có thể dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ ch ng. Phương pháp cơ học
và keo tụ có thể tách đư c 80-90% hàm lư ng cặn trong nước thải chăn nuôi l n.
Tuy nhiên phương pháp này đ i hỏi chi ph cao không phù h p với các cơ sở chăn
nuôi. Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để loại bỏ cặn trong nước thải
chăn nuôi l n, tuy nhiên chi ph đầu tư và vận hành cao nên không phù h p với các
cơ sở chăn nuôi.
b. Xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn bằng phƣơng pháp sinh học kỵ khí [4,5]
 Quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và
phân, sau đó phương pháp này được áp dụng cho xử lý nước thải nhờ có những ưu
điểm sau:
-

Khả năng ch u tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu kh ;

-

Thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước. Một lư ng sinh
khối lớn đư c giữ lại trong bể;

-

Chi ph xử lý thấp (không phải cung cấp oxy như quá trình xử lý hiếu kh );

Khóa 19-CHMT

14

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên


Luận văn thạc sĩ

2013

Hoàng Văn Tuấn

-

Tạo ra một ngu n năng lư ng mới có thể sử dụng (kh sinh học – Biogas);

-

Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UAS , lọc k kh , k kh xáo trộn hoàn
toàn, k kh tiếp x c...

 Bên cạnh các ưu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhược điểm sau:
-

Nhạy cảm với môi trường (to, pH, n ng độ kim loại nặng…);

-

Phát sinh mùi;

-

Tốc độ phát triển sinh khối chậm.

 Trong công nghệ kỵ (yếm khí) khí cần lưu ý 2 yếu tố quan trọng:
-

Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt;

-

Tạo tiếp x c đủ giữa nước thải và sinh khối vi khu n.
Quá trình phân hủy k kh các h p chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp,

bao g m hàng trăm phản ứng và h p chất trung gian, mỗi phản ứng đư c x c tác
bởi những enzym đặc biệt. Sơ đ biểu diễn tổng quát quá trình xử lý k kh đư c
mô tả trên Hình 5 [3,5].

Hình 5. S

Khóa 19-CHMT

ồ phản ứng sinh hóa trong i u ki n yếm (k ) khí

15

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên