Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas bằng mô hình aao sử dụng giá thể biofix và biofringe

 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÂM THẾ KIÊN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN
NUÔI SAU BỂ BIOGAS BẰNG MƠ HÌNH AAO SỬ DỤNG
GIÁ THỂ BIOFIX VÀ BIOFRINGE
Chuyên ngành: Công nghệ môi trường
Mã số: 608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
-------------- oOo ------------Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
Cán bộ chấm nhận xét 2: GVC. TS. Trần Thị Mỹ Diệu
Luận văn thạc sĩ

được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

Tp.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2013

.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

PGS.TS. Nguyễn Phước Dân

(chủ tịch hội đồng)

2.

PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

(ủy viên)

3.

GVC. TS. Trần Thị Mỹ Diệu

(phản biện)

4.

TS. Đặng Vũ Bích Hạnh

(phản biện)

5.

TS. Hà Dương Xuân Bảo

(thư ký)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý sau khi luận
văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÂM THẾ KIÊN

MSHV: 11250518

Ngày, tháng, năm sinh: 15 / 07 / 1974

Nơi sinh: Nam Định

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

Mã số: 608506

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
SAU BỂ BIOGAS BẰNG MÔ HÌNH AAO SỬ DỤNG GIÁ THỂ BIOFIX VÀ
BIOFRINGE.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Đánh giá khả năng xử lý COD, nitơ, photpho của mơ hình.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 29/ 01 /2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

18/ 12 /2013

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày 29 tháng 01 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, tôi chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn
Tấn Phong đã tận tình hướng dẫn, tài trợ kinh phí thực hiện từ khi đề tài được giao

cho đến khi hồn thành.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, các Cô tại Khoa Môi Trường, Đại Học
Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh; những kiến thức quý báu mà các Thầy, các Cô đã
truyền đạt là nền tảng vững chắc cho tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các Anh, các Chị tại phịng Thí nghiệm Khoa Môi Trường đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi thực hiện đề tài khi mơ hình thí nghiệm được
hoạt động tại đây.
Cuối cùng, xin cám ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình của tơi,
những người đã luôn ở bên tôi, hỗ trợ và động viên để tơi có thể hồn thành tốt
nhiệm vụ học tập.
Chân thành cám ơn!
Hồ Chí Minh, Ngày 18 tháng 12 năm 2013

Lâm Thế Kiên

Trang i


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Cùng với sự phát triển của xã hội, nghành công nghiệp chăn ni cũng phát
triển nhanh chóng nhằm cung cấp thực phẩm, đáp ứng nhu cầu của xã hội. Tuy
nhiên, các trang trại chăn nuôi heo lại thải ra một lượng chất thải khá lớn, nguồn
nước thải này chứa nồng độ ô nhiễm khá cao cả về COD, dinh dưỡng và vi trùng
gây bệnh. Công nghệ biogas là công nghệ được các chủ trang trại sử dụng để xử lý
nước thải này. Nhìn chung, nước thải sau biogas đã loại bỏ một lượng lớn COD
cũng như vi trùng gây bệnh, nhưng chất dinh dưỡng (nitơ và photpho) thì khơng

giảm đi nhiều và hầu như khơng đáng kể đối với photpho. Chính vì vậy, nước thải
sau biogas cần phải được xử lý, loại bỏ các chất ô nhiễm một lần nước trước khi xả
thải vào nguồn tiếp nhận, tránh gây ô nhiễm nguồn cho tiếp nhận.
Công nghệ AAO là công nghệ khá phù hợp để xử lý loại nước thải có chứa cả
COD, nitơ và photpho cao, tuy nhiên nó vẫn cịn những hạn chế nhất định. Mơ hình
AAO có sử dụng giá thể đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới, hứa
hẹn sẽ là công nghệ phù hợp thay thế cho công nghệ AAO truyền thống.
Đề tài này nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas bằng
mơ hình AAO sử dụng giá thể biofix (stick-bed) và biofringe (swim-bed). Nước thải
được lấy là nước thải sau biogas của trại nuôi heo. Qua 5 giai đoạn vận hành (tương
đương 5 tải trọng là 1,0, 1,5, 2,0 và 2,5 kg-COD/m3.ngày), với các thơng số kiểm
sốt pH từ 6,8 đến 7,5, HRT từ 24 đến 9,6 giờ thì hiệu quả loại bỏ COD, khử nitơ
và photpho tối đa lần lượt là 92%; 67% và 35%.

Trang ii


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ABSTRACT
With the development of society, livestock industry also developed rapidly to
provide food for demand of people. However, the pig farms discharge a lot of waste
which contains high concentration of pollution such as COD, nitrogen, photphorus
and disease-causing. Biogas technology is used to treat this wastewater by farm
owners. In general, Biogas has high COD and pathogenic microbes removal
efficiency, but the nutrients removal efficiency (nitrogen and photphorus) is low.
specially, photphorus concentration is negligible. Therefore, wastewater after biogas
must be treated to removal them before discharge into the water sources to prevent

contamination of the water sources.
AAO technology is quite suitable for handling the wastewate containing high
concentration of COD, nitrogen and photphorus. However, it is still limitations.
Technologies which use biomass carrier have many advantages such as high
processing performance, less sludge produced, less space, longer sludge retention
time. Combination of AAO and biomass carrier is new technology which is
popularly studying on different types of wastewater. It can be technology which
replace traditional technology – AAO.
This research uses the system including anaerobic, anoxic and aerobic
processes to treating the swine wastewater from biogas tank. Anaerobic and anoxic
reactor use biofix while aerobic reactor uses biofringe as biomass carrier with
volume each reactor of 10 litters. With the COD loading rate was 1.0; 1.5; 2.0; 2.5
kg/m3/day and the control parameters is pH being from 6.8 to 7.5, HRT being from
24 to 9.6 hours. The results show that the AAO system with biofix and bifringe as
biomass carrier have a treatment of COD, TN, TP removal efficiency very high with
short are 92%, 67 % and 35 %, respectively.

Trang iii


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập –Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: LÂM THẾ KIÊN

Ngày tháng năm sinh: 15 / 07 / 1974

MSHV: 11250518
Giới tính: Nam

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

Nơi sinh: Nam Định
MS: 60 85 06

Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn ni sau bể biogas bằng mơ
hình AAO sử dụng giá thể biofix và biofringe.
Ngày bắt đầu: 29/01/2013

Ngày hoàn thành: 18/12/2013

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những kết quả và số liệu trong
luận văn chưa được ai cơng bố dưới bất cứ hình thức nào. Tơi hồn toàn chịu trách
nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2013

Lâm Thế Kiên

Trang iv


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1.Mơ hình sử dụng bể Biogas xử lý nước thải chăn ni ...............................5
Hình 2.2.Sơ đồ hầm Biogas.........................................................................................5
Hình 2.3 Sơ đồ cơng nghệ AAO. ................................................................................7
Hình 2.4 Cơ chế tạo khí metan từ chất hữu cơ ...........................................................8
Hình 2.5 Giá thể Biofringe........................................................................................20
Hình 2.6 Giá thể Biofinge (a) và giá thể khi có sinh vật bám (b) ............................20
Hình 2.7 Phân bố của vi sinh vật trên giá thể...........................................................21
Hình 2.8 Giá thể Biofix .............................................................................................22
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mơ hình thí nghiệm............................................................26
Hình 3.2 Mơ hình thực tế ..........................................................................................27
Hình 3.3 Mơ hình thí nghiệm. ...................................................................................29
Hình 3.4 Bể lấy nước thải .........................................................................................29
Hình 3.5. Giá thể Biofix ............................................................................................31
Hình 3.6 Giá thể Biofringe........................................................................................31
Hình 3.7 Thu thập mẫu phân tích (a) mẫu đầu và, (b) mẫu sau bể kị khí, (c) mẫu
đầu ra ........................................................................................................................32
Hình 4.1.Hiệu quả loại bỏ ở giai đoạn thích nghi ....................................................39
Hình 4.2 Bùn bám trên giá thể ..................................................................................40
Hình 4.3 Hiệu quả loại bỏ COD trung bình của tồn mơ hình ................................42
Hình 4.4 Nồng độ đầu ra và hiệu quả loại bỏ COD .................................................43
Hình 4.5 Nồng độ TN và hiệu quả loại bỏ ................................................................48
Hình 4.6 Hiệu quả loại bỏ nitơ trung bình ở các tải trọng khác nhau .....................49
Hình 4.7 Thành phần nitơ có trong nitơ tổng của dịng ra.......................................51
Hình 4.8 Hiệu quả loại bỏ photpho...........................................................................51
Hình 4.9 Hiệu quả loại bỏ TP trung bình ở các tải thí nghiệm ................................53
Hình 4.10 Hiệu quả loại bỏ SS..................................................................................54
Hình 4.11 Bùn bám trên giá thể Biofinge .................................................................56
Hình 4.12 Bùn hiếu khí..............................................................................................56

Trang v


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.13 Bùn bám trên giá thể Biofix của bể thiếu khí...........................................58
Hình 4.14 Bùn trong bể thiếu khí ..............................................................................58
Hình 4.15 Bùn bám trên giá thể Biofix của bể kị khí ................................................59
Hình 1 Phân tích Photpho.........................................................................................72
Hình2 Phân tích TKN................................................................................................72
Hình 3 Phân tích COD..............................................................................................73
Hình 4 Phân tích Nitrit..............................................................................................73
Hình 5 Phân tích nitrat .............................................................................................74

Trang vi


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Tính chất của nước thải chăn ni .............................................................4
Bảng 2.2. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas .................................................6
Bảng2.3 Thơng số kĩ thuật của giá thể Biofix ...........................................................22
Bảng 3.1. Thành phần nước thải chăn nuôi sau bể Biogas ......................................30
Bảng 3.2 Các phương pháp phân tích trong nghiên cứu..........................................33

Bảng 4.1. Nồng độ COD, nitơ tổng, TP và SS ở giai đoạn thích nghi......................40
Bảng 4.2 Nồng độ COD đầu ra và hiệu quả loại bỏ COD .......................................41
Bảng 4.3 Nồng độ amoni, nitrit, nitrat và nitơ tổng của đầu ra ...............................44
Bảng 4.4. Nồng độ Amoni và TKN dịng vào và dịng ra..........................................45
Hình 4.5 Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TKN dòng vào và ra của giai đoạn ổn định 46
Bảng 4.6 Nồng độ nitrat và nitrit ở giai đoạn ổn định .............................................47
Bảng 4.7 Hiệu quả loại bỏ TN và nồng độ dòng ra ở các tải ...................................50
Bảng 4.8 Hiệu quả loại bỏ TP của bể kị khí và tồn mơ hình ..................................52
Bảng 4.9 Bùn trong bể hiếu khí.................................................................................55
Bảng 4.10 Bùn trong bể thiếu khí .............................................................................57
Bảng 4.11 Bùn trong bể kị khí...................................................................................58
Bảng 4.12. Bảng so sánh bùn lơ lửng và bùn bám ở mỗi bể ....................................59

Trang vii


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BF

Giá thể sinh học Biofringe

BX

Giá thể sinh học Biofix

COD

Nhu cầu oxy hóa học-Chemical oxygen demand

DO

Nồng độ oxy hịa tan-Dissolved oxygen

HRT

Thời gian lưu nước-Hydraulic retention time

MLSS

Cặn lơ lửng của hỗn hợp bùn hoạt tính -Mixed Liquor Suspended
Solids

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

PAOs

Vi sinh vật tích lũy photpho - Photphate Accumulatin Organisms

SS

Chất rắn lơ lửng-Suspended solids

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TKN

Tổng nitơ Kjendahl - Total Nitrogen Kjendahl

TN

Tổng nitơ - Total Nitrogen

TP

Tổng photpho - Total photphorus

UASB

Bể phản ứng kị khí có dịng hướng lên - Upflow anaerobic sludge
blanket

VFAs

Axit béo dễ bay hơi - Volatile Fatty Acids

VSS

Chất rắn bay hơi-Volatile solids

WHO

Tổ chức sức khỏe thế giới-World health organization

Trang viii


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ..............................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................ii
ABSTRACT .............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG ...............................................................................................vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. viii
MỤC LỤC..................................................................................................................ix
CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................1
1.1.Tính cần thiết của đề tài ....................................................................................1
1.2.Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ......................................................................2
1.2.1.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài......................................................................2
1.2.2.Nội dung nghiên cứu của đề tài. ....................................................................2
1.3.Ý nghĩa và tính mới của đề tài...........................................................................2
1.4.Phạm vi – giới hạn của đề tài ............................................................................2
1.5.Tính khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.......................................................................................4
2.1.Nước thải chăn nuôi heo và công nghệ xử lý ....................................................4
2.2.Cơng nghệ AAO ................................................................................................7
2.2.1.Q trình Anaerobic (Q trình kị khí) .........................................................7
2.2.2.Q trình Anoxic (Thiếu khí) ........................................................................9
2.2.3.Q trình Oxic (Hiếu khí)............................................................................16

2.3.Tổng quan về giá thể bám dính .......................................................................19
2.3.1.Tổng quan về BioFringe ..............................................................................19
2.3.2.Tổng quan về Biofix ....................................................................................22
2.4.Nghiên cứu trong nước và ngoài nước ............................................................23
2.4.1.Nghiên cứu ngồi nước................................................................................23
2.4.2.Trong nước...................................................................................................24
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................26
Trang ix


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

3.1.Mơ hình nghiên cứu.........................................................................................26
3.2. Nước thải nghiên cứu .....................................................................................29
3.3. Giá thể sinh học ..............................................................................................30
3.4.Điều kiện nghiên cứu......................................................................................32
3.5.Phương pháp lấy mẫu và phân tích .................................................................32
3.6.Phương pháp xử lý số liệu...............................................................................34
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................38
4.1.Giai đoạn chạy thích nghi................................................................................38
4.2.Giai đoạn chạy các tải trọng khác nhau...........................................................41
4.2.1.Hiệu quả loại bỏ COD .................................................................................41
4.2.2.Hiệu quả loại bỏ nitơ ...................................................................................44
4.2.3.Hiệu quả loại bỏ TP .....................................................................................51
4.2.4.Hiệu quả loại bỏ SS .....................................................................................54
4.3.Nồng độ MLSS trong bể .................................................................................55
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................61
5.1 Kết luận ...........................................................................................................61

5.2. Kiến nghị ........................................................................................................62
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU ......................63
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG...........................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................65
PHỤ LỤC..................................................................................................................68

Trang x


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.Tính cần thiết của đề tài
Mơ hình biogas trở nên rất quen thuộc với người dân. Mơ hình thường được
sử dụng để xử lý chất thải từ các trang trại chăn ni để tạo ra nguồn khí sinh học
sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất. Mơ hình biogas đã mang lại rất nhiều
lợi ích như xử lý được một khối lượng lớn chất thải hữu cơ, khí sinh ra được sử
dụng làm năng lượng để đun nấu và thắp sáng, chạy máy phát điện.
Bên cạnh những thuận lợi đó cịn có những mặt tiêu cực là nước thải sau bể
biogas thường không đạt tiêu chuẩn xả thải do còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất
dinh dưỡng cao, oxy hoà tan trong nước thấp… Hàm lượng chất hữu cơ cao tạo
điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh phát triển mạnh, bên cạnh
đó, hàm lượng dinh dưỡng cao nếu xả vào nguồn nước sẽ gây ra hiện tượng phú
dưỡng hóa, gây ơ nhiễm nguồn nước. Vì vậy cần có biện pháp xử lý nước thải này.
Nước thải chứa hàm lượng dinh dưỡng cao (nitơ và photpho) thường được xử lý
bằng công nghệ AAO, công nghệ này được xem là công nghệ xử lý chất dinh dưỡng
truyền thống, có hiệu quả trong việc xử lý nitơ và photpho.
Để xử lý nước thải nói chung và nước thải sau bể biogas nói riêng, chúng ta

có thể lựa chọn nhiều phương pháp xử lý. Đối với nước thải có lượng chất độc
khơng q cao thì hệ thống xử bằng phương pháp sinh học thường được xem xét
đầu tiên. Phương pháp sinh học có thể hoạt động tốt cả ở nồng độ chất hữu cơ cao
hay nồng độ chất hữu cơ thấp, chi phí xử lý thường thấp hơn các phương pháp khác.
Ngày nay hệ thống xử lý nước thải thường được bổ sung thêm giá thể để tăng mật
độ sinh khối trong bể phản ứng từ đó giảm thời gian lưu nước trong hệ thống, tăng
tốc độ và hiệu quả xử lý, giảm chi phí xử lý.
Trên cơ sở đó, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau bể
biogas bằng mô hình AAO sử dụng giá thể Biofix và Biofringe” được thực hiện.

Trang 1


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.2.Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.2.1.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn ni sau bể
biogas bằng mơ hình AAO sử dụng giá thể Biofix (Stick – bed) và Biofringe (Swim –
bed).
1.2.2.Nội dung nghiên cứu của đề tài.
Đề tài tập trung vào các nội dung chính sau đây: đánh giá khả năng xử lý
COD, nitơ, photpho của mơ hình. Hiệu quả loại bỏ sẽ được đánh giá ở các tải trọng
COD khác nhau: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 kgCOD/m3.ngày.
1.3.Ý nghĩa và tính mới của đề tài
Hiện nay, trên thế giới xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí kết hợp
thiếu khí và hiếu khí đã ứng dụng nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải công
nghiệp cả trong thực tế lẫn mơ hình thí nghiệm trong đó có nước thải chăn nuôi sau

bể biogas. Tuy nhiên, ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải
chăn ni sau bể biogas bằng mơ hình AAO sử dụng giá thể Biofix và Biofringe với
2 loại vật liệu bám dính mới là BioFix (mơ hình Stick – Bed) và BioFringe (mơ
hình Swim – Bed) vẫn chưa có nghiên cứu ứng dụng. Do đó, đây là một đề tài mới
và có tính thực tiễn cao.
1.4.Phạm vi – giới hạn của đề tài
Nghiên cứu được tiến hành ở ngay tại phòng thí nghiệm của khoa
Mơi trường – Đại học Bách khoa TP. HCM.
Mẫu thử nghiệm: là mẫu nước thải chăn nuôi heo sau bể biogas.
1.5.Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
-

Tính khoa học: Tồn bộ kết quả của đề tài đựợc rút ra từ những thí nghiệm có
căn cứ khoa học rõ ràng. Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn của
Việt Nam và phương pháp tiêu chuẩn được sử dụng khá phổ biến trên thế giới:
”Standard methods for the examination of water and wastewater, 21st Edition,
2005”.
Trang 2


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tính thực tiễn:Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là cơ sở lựa chọn công nghệ cho xử
lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas.

Trang 3

HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.Nước thải chăn nuôi heo và công nghệ xử lý
Nước thải chăn nuôi heo là một trong những loại nước thải có nồng độ ơ
nhiễm khá cao, đặt biệt là COD, nitơ, photpho và vi sinh vật gây bệnh. Thành phần,
khối lượng của nước thải chăn nuôi heo phụ thuộc nhiều vào giai đoạn sinh trưởng
của heo, chế độ cho ăn và phương thức vệ sinh chuồng trại. Nước phân chuồng chăn
nuôi heo chủ yếu phát sinh từ nước tiểu, phân, thức ăn dư thừa. Nước phân chuồng
chứa khá nhiều đạm và kali. Đạm trong nước phân chuồng tồn tại chủ yếu ở 3 dạng:
urê, axit uric và axit hippuric. Thành phần nước thải chăn nuôi heo giao động khá
lớn, tùy thuộc vào điều kiện chăm sóc và vệ sinh của mỗi cơ sở chăn ni, nhưng
thơng thường thì nước thải chăn nuôi heo chứa một lượng lớn các thành phần sau:
SS:180 – 1248 mg/l; COD: 500 – 3000; BOD: 300 – 2100 mg/l; NH4+: 15- 865mg/l;
Escherichia Coli: 15.105 – 68,3.107 MPN/ 100ml; Steptococcus faecalis 3.102 –
3,5.103 MPN/ 100ml; Clostridium perfringens: 50 – 160 tế bào/ 100ml. Tính chất
của nước thải chăn ni được trình bày ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Tính chất của nước thải chăn ni
ĐẶC TÍNH

ĐƠN VỊ

GIÁ TRỊ

Độ màu

Pt-Co

350 – 870

Độ đục

mg / l

420 – 550

BOD5

mg / l

3500 – 8900

COD

mg / l

5000 – 12000

SS

mg / l

680 – 1200

TP

mg / l

36 -72

TN

mg / l

220 – 460

Dầu mỡ

mg / l

5 – 58
Nguồn: Bá Lan Hanh (2005)

Chính vì mức độ ơ nhiễm cao của nước thải chăn nuôi heo mà nước thải này
cần phải được xử lý giảm nồng độ ô nhiễm, đặc biệt là vi sinh vật gây bệnh. Công
nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo ngày nay chủ yếu là dựa vào q trình kị khí
Trang 4


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

như bể Biogas, bể UASB…. Đây là công nghệ khá phù hợp cho xử lý nước thải có
nồng độ COD cao. Bể Biogas là bể phản ứng được dùng khá phổ biến trong xử lý
nước thải chăn nuôi, đặc biệt là ở hộ chăn ni nhỏ lẻ.

Hình 2.1.Mơ hình sử dụng bể Biogas xử lý nước thải chăn ni
Bản chất của q trình sản xuất Biogas là dựa vào nguyên tắc phân hủy kị
khí, các chất hữu cơ phức tạp bị phân hủy tạo thành các chất đơn giản ở dạng khí
hoặc hịa tan. Quá trình trải qua nhiều giai đoạn với hàng nghìn phản ứng hóa học,
có sự tham gia nhiều loại vi sinh vật kị khí. Lượng khí metan có thể thu từ phân gia
súc phụ thuộc vào khẩu phần thức ăn, phương thức thu gom, lưu trữ, xử lý và thời
gian phân hủy. Thường chỉ có 40 – 60% chất rắn dễ bay hơi được chuyển hóa trong
thời gian phân hủy 12 – 18 ngày.

Hình 2.2.Sơ đồ hầm Biogas
Trang 5


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chất thải sau khi lên men kị khí sẽ trở nên ổn định. Hơn 50% lượng nitơ hữu
cơ được chuyển sang dạng amoniac hòa tan, sau đó chuyển sang dạng nitrit, nitrat,
những dạng vơ cơ hòa tan này được thực vật hấp thụ rất mạnh. Như vậy, quá trình
lên men đã làm tăng giá trị nitơ hữu cơ khoảng 30 – 60%. Hàm lượng kali, phopho
có trong chất thải sau q trình lên men không giảm, 50% photpho và 80% kali
không đổi trong suốt q trình lên men.
Cơng nghệ Biogas có thể xử lý được nước thải có nồng độ COD cao đồng
thời sinh ra khí sinh học có thể được sử dụng cho nấu ăn hay máy phát điện, khi đốt
1m3 hỗn hợp khí gas từ bể biogas sẽ sinh ra một lượng nhiệt tương đương với 1 lít
cồn với 4,5 – 6 kcal được sinh ra, với mức năng lượng này cũng tương đương với
0,8 lit xăng, 0,6 lit dầu thô, 1,4kg than hoa hay 2,2 kW điện. Bùn thải sau Biogas có
thể được sử dụng làm phân bón vì chứa một lượng lớn các chất dinh dưỡng. Tuy

nhiên, nước thải sau bể Biogas vẫn cịn nồng độ ơ nhiễm cao cả về COD và chất
dinh dưỡng. Bảng 2.2 cho ta thấy thành phần chính của khí từ bể biogas. Nước thải
chăn nuôi chứa một lượng lớn nitơ và photpho, các chất dinh dưỡng này chỉ bị giữ
lại một phần rất nhỏ trong bể qua quá trình hấp thụ vào trong tế bào, còn lại hầu hết
các chất dinh dưỡng này được thải cùng với nước thải sau bể biogas.
Bảng 2.2. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas
Loại khí

Thành phần khí

CH4

50-65%

CO2

30-45%

N2

0-3%

H2

0-1%

H 2S

0-1%

Nước thải sau biogas nếu không được xử lý tiếp mà xả thải vào môi trường
sẽ tạo ra một lượng lớn dinh dưỡng trong nước, gây ra quá trình phú dưỡng hóa, gây
ơ nhiễm mơi trường nước. Vì vậy, trong công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi, sau
bể biogas ln được bố trí các cơng trình xử lý phù hợp để xử lý nước thải đầu ra
đạt tiêu chuẩn cho phép trước khi xả vào môi trường. Các công nghệ được sử dụng

Trang 6


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

cho nước thải sau biogas thường là các cơng nghệ có khả năng loại bỏ được chất
dinh dưỡng như các công nghệ ứng dụng q trình hiếu khí kết hợp với thiếu khí.
2.2.Cơng nghệ AAO
Công nghệ AAO là công nghệ cải tiến từ quy trình AO, cơng nghệ này nhờ
sự kết hợp giữa các q trình kị khí, thiếu khí và hiếu khí nên có có khả năng xử lý
kết hợp COD, nitơ và photpho với hiệu suất loại bỏ khá cao. Công nghệ AAO được
ứng dụng xử lý các loại hình nước thải có hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng
cao như: nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải ngành chế biến thủy
hải sản, nước thải ngành sản xuất bánh kẹo - thực phẩm, nước thải chăn nuôi.
Nước thải được đưa qua bể kị khí, thiếu khí rồi đến hiếu khí. Để tăng khả
năng loại bỏ phopho và nitơ, bùn thải được tuần hoàn từ bể lắng về bể kị khí và
nước thải được tuần hồn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí. Ở bể kị khí, bùn đã tích lũy
photpho tuần hồn về từ bể hiếu khí sẽ giải phóng photpho đơn. Tại bể thiếu khí, vi
khuẩn sử dụng nitrat làm nhiệm vụ khử nitrat, loại bỏ nitơ ra khỏi nước thải. Ở bể
hiếu khí, amoni được oxi hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn nitrat hóa

Hình 2.3 Sơ đồ cơng nghệ AAO.

2.2.1.Q trình Anaerobic (Q trình kị khí)
Trong các bể kị khí xảy ra q trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các
chất dạng keo trong nước thải với sự tham gia của hệ vi sinh vật kị khí. Trong quá
Trang 7


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

trình sinh trưởng và phát triển, vi sinh vật kị khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hịa tan
có trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành các hợp chất ở dạng khí.
Bọt khí sinh ra bám vào các hạt bùn cặn. Các hạt bùn cặn này nổi lên trên làm xáo
trộn, gây ra dịng tuần hồn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Quá trình phân hủy chất
hữu cơ của hệ vi sinh vật kị khí rất phức tạp. Tuy nhiên chúng ta cũng có thể đơn
giản hóa q trình phân hủy yếm khí bằng các phương trình hóa học như sau:
(COHNS) + VK yếm khí → CO2 + H2S + CH4 + các chất khác + năng lượng
(COHNS) + VK yếm khí + năng lượng → C5H7O2N (Tế bào vi khuẩn mới)
Các quá trình sinh học trong quá trình kị khí

Hình 2.4 Cơ chế tạo khí metan từ chất hữu cơ
Tồn bộ q trình chuyển hóa xảy ra trong vật chất hữu cơ trong chất thải hữu
cơ chia làm 3 giai đoạn:
-

Giai đoạn phân giải các chất hữu cơ: chất thải hữu cơ chứa rất nhiều các polyme
hữu cơ như protein, polysaccharide, chất béo, legnin,… sẽ được phân hủy bởi

Trang 8

HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

enzym ngoại bào của vi khuẩn, tạo ra những chất có phân tử lượng nhỏ hơn và
có khả năng tan trong nước. Những chất này được vi khuẩn sinh axit hấp thụ.
-

Giai đoạn axit: là giai đoạn sau khi các chất có phân tử lượng nhỏ được tạo
thành từ quá trình phân giải chui vào tế bào vi khuẩn, bắt đầu chuyển hóa thành
axit. Các q trình chuyển hóa này được thực hiện bởi các vi khuẩn Acetogenic
và sản phẩm được tạo thành là axit béo bay hơi. Các axit béo bay hơi sẽ chuyển
thành acetate và từ acetate sẽ chuyển hóa thành CH4 và CO2. Ngoài acetate ra,
trong giai đoạn này người ta thấy trong tế bào vi khuẩn tích lũy CO2, H2, etanol
và metanol. Các chất này được tạo thành phần lớn từ trao đổi của polysaccharit.
Số lượng, thành phần các axit béo bay hơi và các sản phẩm khác được tạo thành
trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều ở thành phần hóa học của chất thải đưa
vào lên men, phương pháp lên men.

-

Giai đoạn tạo thành khí CH4: giai đoạn tạo thành khí CH4 được thực hiện bởi
nhóm vi khuẩn Methanogens.
Bên cạnh việc loại bỏ COD, bể kị khí có nhiệm vụ quan trọng là giải phóng

photpho trùng ngưng trong tế bào vi sinh vật. Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật
trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi
trường dưới dạng photphat đơn:
2 C2H4O2 + (HPO3) + H2O → (C2H4O2)2 + PO43- + 3H+ (2.1)

(C2H4O2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài
vào. Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol P/mol axit
axetic.
2.2.2.Quá trình Anoxic (Thiếu khí)
Trong nước thải, có chứa hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần
phải được loại bỏ ra khỏi nước thải. Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi
sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thơng qua q trình khử nitrat và
Photphoril.

Trang 9


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2.2.1.Quá trình khử nitrat
Khử nitrat là q trình khử NO3- thành khí N2 theo 4 giai đoạn như sau :
NO3- → NO2- → NO (k) → N2O (k) → N2(k). Trong đó NO2- , NO , N2O là sản
phẩm trung gian và mỗi giai đoạn của quá trình được xúc tác bởi 1 hệ enzym khác
nhau. Q trình này cịn được gọi là q trình dị hố .
Khác với q trình nitrat hố, số lượng vi khuẩn có thể thực hiện q trình
khử nitrat hố tương đối phong phú. Có ít nhất 14 chủng vi khuẩn được biết là có
khả năng khử nitrat hố. Ví dụ như chủng: Bacillus, Pseudomona , Methanomonas,
Paracocus, Spirillum, Thiobacillus ... Hầu hết vi khuẩn khử nitrat hoá là vi khuẩn
hơ hấp tuỳ tiện, chúng có thể sử dụng O2 hoặc NO3- làm chất nhận điện tử cuối cùng
trong quá trình hơ hấp, trường hợp vi khuẩn sử dụng oxi làm chất nhận điện tử trong
q trình hơ hấp gọi là hơ hấp hiếu khí, cịn trường hợp vi khuẩn sử dụng NO3- hoặc
NO2- gọi là hơ hấp thiếu khí. Cơ chế của 2 quá trình là tương tự nhau, sự khác nhau
duy nhất giữa hơ hấp hiếu khí và hơ hấp thiếu khí là enzym xúc tác cho sự vận

chuyển điện tử. O2 phải được loại trừ để tạo điều kiện cho quá trình khử nitrat diễn
ra. Nếu cả O2 và NO3- cùng có mặt thì vi sinh vật sẽ sử dụng O2 làm chất nhận điện
tử do hô hấp hiếu khí sinh ra nhiều năng lượng hơn hơ hấp thiếu khí.
Các vi sinh vật cần nitơ để tổng hợp protein, nguồn nitơ vi sinh vật có thể sử
dụng trực tiếp trong tổng hợp là NH4+. Trong trường hợp khơng sẵn có nguồn NH4+,
một số vi sinh vật có khả năng khử NO3- thành NH4+ để sử dụng. Khi đó một phần
nitơ đã được chuyển vào trong tế bào, quá trình khử nitơ kiểu này được gọi là “khử
nitrat do đồng hoá “.
Phần lớn vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn dị dưỡng tức là chúng cần nguồn
cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, chỉ có một số ít vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn
tự dưỡng, sử dụng nguồn cacbon vô cơ để tổng hợp tế bào. Ví dụ : Lồi
Thiobaccillus denitrificans có khả năng oxi hố lưu huỳnh nguyên tố lấy năng
lượng và sử dụng nguồn cacbon từ CO2 hoà tan hoặc HCO3- để tổng hợp tế bào .
™ Cơ chế của quá trình :

Trang 10


HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phương trình phản ứng mơ tả q trình khử nitrat phụ thuộc vào nguồn
cacbon sử dụng. Với NO3- là chất nhận điện tử và nguồn cacbon là metanol , axit
acetic , mêtan và nước thải ta có các phản ứng 2.2, 2.3, 2.4 và 2.5.
6 NO3- + 5 CH3OH → 3 N2 + 5 CO2 +7 H2O + 6OH8 NO3- + 5 CH3COOH → 4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8OH8 NO3- + 5 CH4 → 4 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH-

(2.2)
(2.3)
(2.4)

10 NO3- + C10H19O3N → 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 +10 OH- (2.5)
Sự trao đổi điện tử trong quá trình thể hiện ở 2 phương trình 2.6 và 2.7
NO3- + 6 H+ +5 e- → 0,5 N2 + 3 H2O

(2.6)

5 CH3OH + 5 H2O → 5 CO2 + 30 H+ + 30 e- (2.7)
Rõ ràng NO3- nhận điện tử và bị khử thành N2, nguồn cacbon trong trường
hợp này là metanol bị mất điện tử và được oxi hoá thành CO2. OH- sinh ra trong
phương trình trên kết hợp với CO2 tạo thành HCO3- :
OH- + CO2 → HCO3- (2.8)
Khi đó các phản ứng đồng hố và dị hố nitơ là như sau:
o Dị hóa nitơ :
Khử NO3- thành NO2- : 3NO3- + CH3OH → 3NO2- + H2O + H2CO3

(2.9)

Khử NO2- thành N2 :2NO2- + CH3OH + H2CO3 → N2 + 2HCO3- +2H20 (2.10)
Khử NO3- thành N2 : 6NO3-+5CH3OH+H2CO3 → 3N2+8H2O + 6HCO3- (2.11)
o Đồng hoá nitơ :
14CH3OH + 3NO3- + 4H2CO3→ 3C5H7NO2 + 20H2O + 3HCO3-

(2.12)

Phản ứng kết hợp 2 q trình đồng hố và dị hố :
NO3-+1,08CH3OH+0,24H2CO3→0,056C5H7NO2+0,47N2+1,68H2O+HCO3- (2.13)
NO2- + 0,53H2CO3 + 0,67CH3OH →
0,04C5H7 NO2 + 1,23H2O+ 0,48N2+ HCO3- (2.14)
Trang 11

HVTH: LÂM THẾ KIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trường hợp có mặt oxi vi khuẩn sẽ ưu tiên sử dụng oxi làm chất nhận điện
tử, phản ứng xảy ra :
O2 + 0,93 CH3OH + 0,056 NO3- →
0,056 C5H7NO2+1,04H2O+ 0,59 H2CO3 + 0,056 HCO3- (2.15)
Theo lý thuyết lượng metanol cần thiết để khử NO3- trong trường hợp không
kể đến tổng hợp tế bào là 1,9 mg CH3OH/mg NO3-. Nếu kể cả tổng hợp tế bào,
lượng metanol cần thiết tăng lên là 2,47 mg CH3OH/mg NO3- .
™ Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới quá trình khử nitrat :
o Ảnh hưởng của DO : Q trình khử nitrat hố xảy ra khi NO3- được vi sinh vật
sử dụng làm chất nhận điện tử trong phản ứng oxi hoá chất hữu cơ thu năng
lượng. Nếu trong mơi truờng có oxi, vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng oxi làm chất
nhận điện tử, khi đó q trình khử nitrat bị cản trở. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra
rằng nồng độ oxi hoà tan là 1÷2 mg/l khơng ảnh hưởng tới q trình khử nitrat
trong hệ thống lọc sinh học nhưng trong hệ thống bùn hoạt tính thì nồng độ oxi
hồ tan nên nhỏ hơn 0,3 mg/l .
o Ảnh hưởng của nhiệt độ: Quá trình khử nitrat có thể xảy ra trong khoảng 5÷35oC
. Nhiều lồi vi khuẩn khử nitrat dễ thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ. Do đó,
điều quan trọng là xem xét sự khác nhau giữa ảnh hưởng của nhiệt độ trong thời
gian dài và thời gian ngắn tới quá trình khử nitrat. Tốc độ tăng trưởng của vi
sinh vật và tốc độ khử nitrat đều chịu ảnh hưởng tác động của nhiệt độ. Cần
phân biệt 2 dạng phản ứng đối với nhiệt độ trong quá trình khử nitrat. Dạng phản
ứng thứ nhất là phản ứng nhiệt độ tức thời, có thời gian phản ứng thường nhỏ
hơn so với phản ứng nhiệt độ lâu dài . Phản ứng nhiệt độ lâu dài là hỗn hợp của
phản ứng tức thời và sự thích nghi của vi sinh vật .

o Ảnh hưởng của nồng độ cacbon: Ảnh hưởng của nồng độ cacbon tới tốc độ khử
nitrat được mơ tả bằng phương trình động học Monod sử dụng metanol làm
nguồn cung cấp cacbon, phương trình như sau :

Trang 12