Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học

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

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

NGUYỄN QUANG NAM

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƢƠNG PHÁP

HÓA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


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

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

NGUYỄN QUANG NAM

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƢƠNG 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
DANH MỤC VIẾT TẮT..............................................................................................i
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................iii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN..........................................................................................3
1.1. Nước thải chăn nuôi và ảnh hưởng đến môi trường................................................3
1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi...............................................................................3
1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường...........................................4
1.2. Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi......................................................................5

1.3. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi...........................................................7
1.3.1. Phương pháp vật lý..............................................................................................7
1.3.2. Các phương pháp hóa lý.......................................................................................8
1.3.3. Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh.........................................................8
1.3.4. Các công nghệ xử lý khác.................................................................................. 14
Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................22
2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................ 22
2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 22
2.2.1. Phương pháp thu thâpp̣ sốliêu.............................................................................. 22
2.2.2. Phương pháp phân tich́ đánh giá........................................................................ 22
2.3. Phương pháp thưcp̣ nghiêm..................................................................................... 23
2.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tu ở giai đoạn tiền xử lý
nước thải chăn nuôi...................................................................................................... 23
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 màng vi locp̣ polyme.................................. 24
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 tu..................30
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 32
3.1. Đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn.................................................................... 32
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng phèn sắt33


3.2.1. Ảnh hưởng của pH............................................................................................. 33
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tu................................................................... 35
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học...............................36
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học...........................37
3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni....................................................................................... 40
3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat.......................................................................................... 42
3-

3.3.4. Hiệu suất xử lý PO4 -P...................................................................................... 43
3.3.5. Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme........................................... 44
3.4. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn tiền xử lý keo tu bằng phèn sắt kết
hợp sinh học................................................................................................................. 45
3.5. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tu ở giai đoạn xử lý tăng
cường nước thải chăn nuôi lợn sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng .. 47
3.5.1. Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR.....................47
3.5.2. Ảnh hưởng của pH............................................................................................. 48
3.5.3. Ảnh hưởng nồng độ chất keo tu......................................................................... 49
3.6. Đánh giá, so sánh hiệu quả và lựa chọn mô hình tối ưu xử lý nước thải chăn nuôi52

3.7. Sơ bộ đánh khả năng áp dung trong thực tế.......................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ............................................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 56


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

T-N

Tổng nitơ (mg/L)

T-P

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 số nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9].............4
Bảng 3.1. Đặc tính của nước thải lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – xã Bích Hòa..............32
huyêṇ Thanh Oai – Hà Nội.......................................................................................... 32

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả tiền xử lý bằng phèn sắt...........................33
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý............................ 35
Bảng 3.4. Một số đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn đầu vào (M1) hệ xử lý...........36
Bảng 3.5. Mật độ Coliform trước và sau khi xử lý....................................................... 44
Bảng 3.6. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học kết hợp lọc
màng MBR................................................................................................................... 47
Bảng 3.7. Đánh giá ưu nhược điểm của các giai đoạn xử lý........................................52

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..............................................................................................................6
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống UASB.................................................................................. 11
Hình 1.3. Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián đoạn....................................14
Hình 1.4. Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học....................................... 15
Hình 1.5. Mô hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học.................................................... 16
Hình 2.1. Mô hình bố trí các thiết bị trong hệ thống xử lý........................................... 24
Hình 2.2. Cấu tạo bể yếm khí, thiếu khí....................................................................... 25
Hình 2.3. Giá thể vi sinh trong bể thiếu khí................................................................. 26
Hình 2.4. Sơ đồbểhiếu khi.́ ........................................................................................... 27
Hình 2.5. Cấu tạo sợi màng.......................................................................................... 28
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt..................................34
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý.................................. 35
Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học......................38
+

Hinh 3.4. Sự biến thiên NH4 -N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học.................40
-

Hình 3.5. Diễn biến NO3 -N theo thời gian.................................................................. 42
3-

Hình 3.6. Diễn biến PO4 -P qua các bể theo thời gian................................................ 43
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học............................... 46
Hình 3.8. Tính chất mang màu khác nhau của các chất humic..................................... 47
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu............................................ 48
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD............................................. 49
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý................................. 50
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ phèn nhôm đến hiệu suất xử lý............................ 51

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 dung 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 H 2S 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 dung những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn
nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dung 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 dung công nghệ xử lý nước thải tiên tiến trong lĩnh vực
bảo vệ môi trường tại Việt Nam.

1


Mục tiêu của đê tài:
Muc 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 tu.

2


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc thải chăn nuôi và ảnh hƣởng đến môi trƣờng
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, phốtpho và vi sinh vật gây bệnh. Cu 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
2-

clorua, SO4 …
- Nitơ và phốtpho:
Hàm lượng nitơ, phốtpho trong nước thải tương đối cao do khả năng hấp thu
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 thu 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
2-

3-

3-

(HPO4 , H2PO4, PO4 ), metaphotphat (hay polyphotphat PO4 ) và photphat hữu
cơ.
- Vi sinh vật:
Vi khuẩn điển hình như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella sp, Shigenla sp,
Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết lỵ.
Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus,

3


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 sốnước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung [9]

T

Chỉ

T

tiêu

1

pH

2

BOD5

3

COD

4

TDS

5

T-P

6

T-N

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 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.


4


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 dung 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 thu 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 nƣớc 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. 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].

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
Hồ sinh học





Bể Biogas



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 phuc vu
các muc 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, T-N, T-P 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.

(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

6


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 dung hiện nay đều dựa trên
các công nghệ đã được áp dung 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 dung những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho
xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dung với nguồn nước
thải đặc thù này. Nói cách khác các mô hình xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay tại
nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ô nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn
thải theo quy định của ngành chăn nuôi.
Nhìn chung, việc quản lý 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 phuc vấn đề môi
trường do chất thải chăn nuôi gây ra.
1.3. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi
1.3.1. Phương pháp vật lý
Các phương pháp áp dung 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].

7


1.3.2. Các phương pháp hóa lý

Các quá trình thường áp dung là: trung hòa; sử dung các chất oxy hóa khử; kết
tủa hay tuyển nổi; hấp phu; 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 dung các tác nhân tạo keo tu
như phèn sắt, phèn nhôm, chất trợ keo tu, 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 dung các chất oxy hóa mạnh như clo để oxy hóa các
chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước 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 dung 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 dung hoạt động của VSV để phân hủy các
chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các VSV sử dung 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

8

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 dung 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%) nên VSV bám dính và
chúng thường được thay thế cho sỏi đá. Tỷ lệ riêng diện tích bề mặt/thể tích bề mặt
2

3

vật liệu thông thường dao dộng trong khoảng 100 - 220 m /m . 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 phuc 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 CO 2 và CH4, them vào đó là hợp chất trung gian
phát sinh mùi như các axit hữu cơ, H 2S. Đặc tính của nước thải có thể được xử lý
bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cu 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
3

bằng 75% là tải trọng BOD bằng g BOD/m .ngày, thời gian lưu tối thiểu là 4 ngày,
o

hồ làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 25 C. Vấn đề vận hành thường gặp đối với loại hồ

9


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 dung
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 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 CH 4 và CO2, sẽ tạo
dòng tuần hoàn cuc 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 thu 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.

10


Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống UASB
Phương pháp xử lý hiếu khí: là phương pháp xử lý sử dung các nhóm VSV
hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tuc và duy trì
o

nhiệt độ trong khoảng 20 - 40 C. Một số quy trình xử lý hiếu khí có thể kể đến như:
+) Bể 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 tru. Thông dung nhất là bể aeroten dạng khối hình chữ nhật.
Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được suc 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 pháp này gọi là quá trình xử lý với sinh
trưởng lơ lửng của quần thể VSV. Các bông cặn này chính là bùn hoạt tính, chúng

có màu nâu sẫm, chứa các chất hấp phu trong nước thải là nơi cư trú cho các

11


vi
khuẩn cùng các VSV bậc thấp khác. Hợp chất hữu cơ hòa tan là hợp chất dễ
phân
hủy nhất. Ngoài ra có các hợp chất khó phân hủy, hoặc hợp chất chưa hòa tan, khó
hòa tan ở dạng keo – các hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết ra
enzym ngoại bào, phân hủy thành các chất đơn giản rồi thẩm thấu qua màng tế bào
và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho các tế bào hoặc sản phẩm
cuối cùng là CO2 và nước.
+) Mương oxy hóa (Oxidation ditch): Là một dạng aeroten khuấy trộn hoàn
chỉnh, làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần
hoàn trong mương. Nước thải có độ nhiễm bẩn cao BOD 20 khoảng từ 1000 đến
5000 mg O2/L có thể đưa vào xử lý ở mương oxy hóa. Đối với nước thải sinh hoạt
chỉ cần song chắn rác, lắng cát và không cần qua lắng sơ cấp là có thể đưa vào
mương oxy hóa. Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g
O2/kg.ngày. Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương, do đó số lượng bùn
giảm khoảng 2,8 lần. Thời gian xử lý từ 1 - 3 ngày. Mương có dạng hình chữ nhật
hay hình elip, đáy làm bằng bê tông cốt thép, chiều sâu từ 0,7 - 1 m, tốc độ nước ≥
0,3 m/s.
+) Lọc sinh học (Biofilter): Phương pháp này dựa trên quá trình hoạt động của
VSV ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các vi khuẩn
hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển
và gắn với giá mang là các vật liệu lọc. Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc
tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu
gom vào lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể kéo theo những mãnh vỡ của màng sinh
học bị lóc khi lọc. Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm

nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho
màng sinh học làm việc. Lọc sinh học chia làm hai loại: lọc sinh học với vật liệu
tiếp xúc không ngập trong nước và ngập trong nước.
+) Hồ sinh học hiếu khí: hay còn gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định, là một
chuỗi từ 3 đến 5 hồ, nước thải chảy qua hệ thống hồ với vận tốc không lớn. Trong

12


hồ nước thải được làm sạch bằng tự nhiên bao gồm cả tảo và vi khuẩn nên tốc độ
oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy lực lớn 30 – 50 ngày. Các vi khuẩn sử
dung oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thu từ không
+

khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Còn tảo đến lượt mình sử dung CO 2, NH4 ,
phốtpho được giải phóng ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ để thực hiện
quá trình quang hợp. Để hồ sinh học làm việc bình thường, cần duy trì pH và nhiệt
độ ở giá trị tối ưu. Trong hồ xẩy ra các quá trình sau: oxy hóa các chất hữu cơ bởi
các VSV hiếu khí ở lớp nước ở trên hồ; quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên;
phân hủy chất hữu cơ của các vi khuẩn yếm khí ở đáy hồ. Gió và nhiệt độ là những
yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mức độ khuấy trộn nước trong hồ. Ở đây khuấy
trộn có hai chức năng: giảm tới mức tối thiểu, rút ngắn thời gian lưu và các vùng
chết trong hồ; phân phối đều các chất dinh dưỡng, oxy cho tảo và VSV.
+) Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR -Sequencing
Batch Reactor): các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm
đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Đầu tiên, nước thải
cho vào bể trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đấy, hỗn hợp nước
thải và bùn được suc khí với thời gian thổi khí theo yêu cầu. Quá trình diễn ra gần
với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hoá trong giai đoạn này.
Bùn để lắng trong điều kiện tĩnh, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi

bể. Lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí xả ra khỏi ngăn bể, các
ngăn bể hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý
nước thải liên tuc. Công trình SBR hoạt động gián đoạn, theo chu kỳ. Các quá trình
trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn, .v.v. diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên
hiệu quả xử lý nước thải cao. BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 50
mg/L, hàm lượng cặn lơ lửng từ 10 - 45 mg/L và NH 3-N khoảng từ 0,3 - 12 mg/L.
Bể aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai. Trong
nhiều trường hợp, có thể bỏ qua bể điều hoà và bể lắng sơ cấp.
Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn (SBR) có thể khử được nitơ và phốtpho
do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng

13


việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy. Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển
bằng rơle. Trong ngăn bể được bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn.

Hình 1.3. Các giai đoạn trong bể aeroten hoạt động gián
đoạn 1.3.4. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi
Việc xử lý chất thải chăn nuôi đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát
triển từ cách đây vài chuc năm. Các nghiên cứu của các tổ chức và các tác giả như
(Zhang và Felmann, 1997), (Boone và cs., 1993; Smith & Frank, 1988),
(Chynoweth và Pullammanappallil, 1996; Legrand, 1993; Smith và cs., 1988; Smith
và cs., 1992), (Chynoweth, 1987; Chynoweth & Isaacson, 1987)... Các công nghệ
áp dung cho xử lý nước thải chăn nuôi có tải trọng ô nhiễm cao trên thế giới chủ yếu
là các phương pháp sinh học. Ở các nước phát triển, quy mô trang trại hàng trăm
hecta, trong trang trại ngoài chăn nuôi lợn quy mô lớn (trên 10.000 con lợn), phân
lợn và chất thải lợn chủ yếu làm phân vi sinh và năng lượng Biogas cho máy phát
điện, nước thải chăn nuôi được sử dung cho các muc đích nông nghiệp.
- Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi:

Hai phương pháp được sử dung phổ biến nhất để loại bỏ nitơ khỏi nước thải là
vật lý và sinh học. Phương pháp vật lý đó là sử dung sàng lọc để loại bỏ nitơ bám
dính trong chất rắn lơ lửng. Van Horn và cộng sự (1994) đã chỉ ra rằng có rất nhiều

14


các chất dinh dưỡng bao gồm nitơ tồn tại trong nước thải sau khi đã qua sàng lọc.
Nghiên cứu của Powers (1993) cho thấy chưa đến 10% nitơ bị loại bỏ bởi sàng lọc.
Sàng lọc có thể loại bỏ một số chất dinh dưỡng, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn
các nitơ hòa tan. Chính vì thề mà phương pháp sinh học là sự lựa chọn tiếp theo
trong xử lý nitơ.
Nhiều loại hệ thống sinh học loại bỏ nitơ đã được phát triển. Phổ biến là hệ kết
hợp nối tiếp nhau 2 khu vực hiếu khí và yếm khí, tạo điều kiện để quá trình nitrat
hóa và khử nitrat xảy ra. Một vài hệ xử lý tách biệt quá trình nitrat hóa và khử nitrat
hóa thành hai bể bùn riêng biệt. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat xảy ra trong cùng
một bể bùn nhưng tách thành hai khu vực cũng đã được sử dung.
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 1.4 và 1.5). Các quá
trình làm việc tách biệt suc khí và không suc 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 1.4. Mô hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học

15