luận văn thạc sĩ nghiên cứu áp dụng và mô hình hóa công nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----

-----

Nguyễn Trường Qn

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MƠ HÌNH HĨA
CƠNG NGHỆ UASB CẢI TIẾN TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----

-----

Nguyễn Trường Qn

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG VÀ MƠ HÌNH HĨA
CƠNG NGHỆ UASB CẢI TIẾN TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN
Chun ngành: Khoa học mơi trường

Mã số: 9440301.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Lê Văn Chiều
PGS.TS. Cao Thế Hà

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu áp dụng và mơ hình
hóa cơng nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” là do tôi
thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của các thầy PGS.TS. Lê Văn Chiều và
PGS.TS. Cao Thế Hà.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, chính
xác từ đề tài nghiên cứu của tơi.
Tơi xin chịu trách nhiệm hồn tồn về những nội dung mà tơi trình
bày trong luận án này.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2020

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Trường Quân

i

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Văn Chiều và
PGS.TS. Cao Thế Hà - những người Thầy đã định hướng nghiên cứu và tận
tình hướng dẫn cho tơi trong suốt q trình thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô Khoa Môi trường - Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt và bổ sung
những kiến thức quý báu để tơi thực hiện tốt hướng nghiên cứu của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, anh chị em đồng nghiệp ở các
đơn vị: (i) Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững
-

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; (ii) Khoa Môi trường - Trường Đại học

Khoa học Tự nhiên và (iii) Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi
trong suốt q trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng công
nghệ tiên tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam để xử lý ô nhiễm môi trường kết
hợp với tận dụng chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn - Mã số:
KC.08.04/11-15” và Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật mơ hình hóa trong
cơng nghệ xử lý yếm khí nước thải giàu hữu cơ vào thực tiễn Việt Nam - Mã
số NĐT 31.JPA/17” đã hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè của tơi
-

những người ln ln ủng hộ nhiệt tình, chia sẻ và động viên trong những

lúc tơi gặp khó khăn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tơi hồn
thành luận án.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Trường Quân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................ii
MỤC LỤC.........................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................... 7
MỞ ĐẦU….......................................................................................................9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.........................................................................15
1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN.........................15
1.1.1. Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn.....................................15
1.1.2. Tổng quan về nước thải chăn ni lợn......................................... 16
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN
NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ.......20
1.2.1. Q trình phân hủy yếm khí......................................................... 20
1.2.2. Q trình phát triển của các kĩ thuật yếm khí...............................23
1.2.2.1. Q trình phát triển kĩ thuật yếm khí trên thế giới..................23
1.2.2.2. Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí ở Việt Nam...................27
1.2.3. Giới thiệu kĩ thuật UASB............................................................. 28
1.2.4. Giới thiệu kĩ thuật tuần hoàn nội.................................................. 30
1.2.5. Giới thiệu công nghệ màng sinh học............................................ 34
1.2.5.1. Khái niệm màng sinh học........................................................ 34
1.2.5.2. Giới thiệu một số loại vật liệu mang vi sinh............................35
1.2.5.3. Ứng dụng công nghệ màng sinh học....................................... 37
1.2.6. Một số công nghệ khác xử lý nước thải chăn ni lợn.................38

1.3. MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ.....................40
1.3.1. Khái niệm mơ hình hố.................................................................40
1.3.2. Các bước thiết lập mơ hình mơ phỏng..........................................41
1.3.3. Một số mơ hình q trình xử lý sinh học......................................42

1


1.3.4. Một số nghiên cứu ứng dụng mơ hình và mô phỏng trong nghiên
cứu xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ..........................
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............
2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu .......................................................
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm ............................................................
2.2.2.1. Sơ đồ thiết kế và cấu tạo các hệ thống thí nghiệm ..................
2.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động và quy trình thí nghiệm .......................
2.2.2.3. Vật liệu mang được sử dụng trong nghiên cứu .......................
2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu .......................................
2.2.3.1. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa ..................................
2.2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ..................................
2.2.3.3. Các phương pháp phân tích .....................................................
2.2.3.3. Hóa chất và thiết bị ..................................................................
2.2.4. Phương pháp phân tích, xử lý và đánh giá số liệu ........................
2.2.4.1. Xác định mật độ bùn vi sinh khi sử dụng vật liệu mang .........
2.2.4.2. Xác định các thông số động học ..............................................
2.2.4.3. Xử lý và đánh giá số liệu .........................................................
2.2.5. Phương pháp mô phỏng ................................................................
2.2.5.1. Phần mềm mô phỏng ...............................................................
2.2.5.2. Các bước mô phỏng .................................................................

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN....................
3.1. ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN VÀ BÙN SINH
HỌC YẾM KHÍ ..................................................................................
3.2. KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
CỦA KĨ THUẬT UASB CƠ BẢN.....................................................
3.3. KHẢO SÁT HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HỆ UASB CẢI TIẾN ..........
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý của hệ yếm khí tuần hồn nội (IC) và hệ
yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) ...........................................
3.3.1.1. Diễn biến và hiệu quả xử lý COD tổng ...................................
2


3.3.1.2. Diễn biến và hiệu quả xử lý CODht........................................ 76
3.3.1.3. Diễn biến và hiệu quả xử lý TSS............................................. 81
3.3.2. Khảo sát hiệu quả xử lý của các hệ UASB cải tiến khi sử dụng
vật liệu mang vi sinh.....................................................................83
3.3.2.1. Sử dụng vật liệu mang PU-K30...............................................83
3.3.2.2. Sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15...........................................87
3.3.2.3. Tổng hợp và đánh giá kết quả khảo sát....................................91
3.4. MÔ HÌNH HĨA CÁC Q TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ............95
3.4.1. Đặc tính nước thải đầu vào, đầu ra hệ thí nghiệm........................95
3.4.1.1. Thành phần hữu cơ trong nước thải đầu vào........................... 95
3.4.1.2. Thành phần hữu cơ trong nước thải đầu ra..............................97
3.4.2. Thông số động học của các quá trình phân hủy yếm khí..............99
3.4.2.1. Các thơng số động học y, f và f’..............................................99
3.4.2.2. Các thông số động học k, k′, m, K và b.................................100
3.4.3. Kết quả mô phỏng.......................................................................102
3.4.3.1. Số liệu mô phỏng...................................................................102
3.4.3.2. Mô phỏng kết quả thực nghiệm.............................................104
KẾT LUẬN.................................................................................................. 118

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC..................................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................121
PHỤ LỤC

3


Ký hiệu
AD
ADM1
AnFBBR
AnMBBR
ASM
b
BOD
Bộ
NN&PTNT
Bộ
TN&MT
COD
CODt
CODht
EGSB
f
f’

GPS-X

HSXL
IC

4


K
k
k′
m
MIC

Modi
Circu

MPN

Most

NSXL
OLR

Orga

PE

Polye

PTN
PU

Polyu

QCVN
TCVN
TL
TN

Total

TP

Total

TSS

Total

UASB

Upflo
Blank

VFAs

Volat

VSV
y

Yield

YK

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2014 - 2018.............................. 15
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân lợn có trọng lượng từ 70 - 100 kg .. 19

Bảng 1.3. Thành phần hóa học nước tiểu lợn có trọng lượng 70 - 100 kg......19
Bảng 1.4. Đặc trưng một số vật liệu mang vi sinh trong kĩ thuật yếm khí......36
Bảng 1.5. Các phương trình động học của q trình phân hủy yếm khí.........45
Bảng 3.1. Đặc tính nước thải chăn ni lợn....................................................66
Bảng 3.2. Đặc tính bùn sinh học yếm khí....................................................... 67
Bảng 3.3. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODt của hệ IC......................................71
Bảng 3.4. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODt của hệ MIC...................................72
Bảng 3.5. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODht của hệ IC....................................78
Bảng 3.6. Tổng hợp hiệu quả xử lý CODht của hệ MIC.................................78
Bảng 3.7. Đánh giá hiệu quả xử lý COD tổng của hệ UASB, AnFBBR và
AnMBBR

92

Bảng 3.8. Thành phần hữu cơ chính có trong nước thải đầu vào....................96
Bảng 3.9. Thành phần hữu cơ chính có trong nước thải đầu ra...................... 98
Bảng 3.10. Giá trị của thông số động học f.....................................................99
Bảng 3.11. Giá trị các thông số động học k, k′, m và K................................101
Bảng 3.12. Các giá trị kết quả mô phỏng các thành phần hữu cơ chính tính
theo COD tổng........................................................................... 103

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí.............21
Hình 1.2. Sơ đồ hệ xử lý tuần hồn nội bộ..................................................... 31
Hình 1.3. Một số loại vật liệu mang phổ biến.................................................37
Hình 2.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu của luận án.......................................... 50
Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm UASB......................................52
Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm IC............................................ 53
Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm MIC.........................................54
Hình 2.5. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm AnFBBR................................. 55
Hình 2.6. Sơ đồ thiết kế hệ thống thí nghiệm AnMBBR................................56
Hình 2.7. Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PU-K30 và PE-ĐTS15..................58
Hình 2.8. Hình ảnh giao diện phần mềm GPS-X............................................64
Hình 2.9. Lựa chọn sơ đồ mơ phỏng hệ thí nghiệm........................................65
Hình 3.1. Diễn biến COD đầu vào, đầu ra và HSXL CODt........................... 68
Hình 3.2. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL CODt của hệ IC..........70
Hình 3.3. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL CODt của hệ MIC.......70
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODt của hệ IC..........74
Hình 3.5. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODt của hệ MIC.......74
Hình 3.6. Diễn biến CODht đầu vào, đầu ra và HSXL CODht của hệ IC......76
Hình 3.7. Diễn biến CODht đầu vào, đầu ra và HSXL CODht của hệ MIC .. 77

Hình 3.8. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODht của hệ IC........80
Hình 3.9. Mối quan hệ giữa TL với NSXL và HSXL CODht của hệ MIC.....80
Hình 3.10. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ IC..............81
Hình 3.11. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ MIC..........82
Hình 3.12. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnFBBR
sử dụng vật liệu mang PU-K30 84

Hình 3.13. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnMBBR
sử dụng vật liệu mang PU-K30 84
Hình 3.14. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnFBBR sử
dụng vật liệu mang PU-K30
86

7


Hình 3.15. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnMBBR
sử dụng vật liệu mang PU-K30 86
Hình 3.16. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnFBBR
sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15
88
Hình 3.17. Diễn biến CODt đầu vào, đầu ra và HSXL COD của hệ AnMBBR
sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15
88
Hình 3.18. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnFBBR
sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15
90
Hình 3.19. Diễn biến TSS đầu vào, đầu ra và HSXL TSS của hệ AnMBBR
sử dụng vật liệu mang PE-ĐTS15
90
Hình 3.20. Kết quả mơ phỏng COD tổng theo giá trị xác định....................104
Hình 3.21. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng COD tổng.............................105
Hình 3.22. Kết quả mơ phỏng cacbonhydrat................................................ 106
Hình 3.23. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng cacbonhydrat........................106
Hình 3.24. Kết quả mơ phỏng Protein.......................................................... 107
Hình 3.25. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng Protein..................................107
Hình 3.26. Kết quả mơ phỏng Lipit.............................................................. 108

Hình 3.27. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng Lipit..................................... 109
Hình 3.28. Kết quả mơ phỏng axit Butyric...................................................109
Hình 3.29. Đồ thị đánh giá kết quả mô phỏng axit Butyric.......................... 110
Hình 3.30. Kết quả mơ phỏng axit Propionic............................................... 111
Hình 3.31. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng axit Propionc........................111
Hình 3.32. Kết quả mơ phỏng axit Axetic.....................................................112
Hình 3.33. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng axit Axetic............................112
Hình 3.34. Kết quả mơ phỏng TSS...............................................................114
Hình 3.35. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng TSS...................................... 114
Hình 3.36. Kết quả mơ phỏng lưu lượng khí mêtan sinh ra..........................115
Hình 3.37. Đồ thị đánh giá kết quả mơ phỏng khí mêtan............................. 116

8


MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Ơ

nhiễm mơi trường đang là vấn đề rất quan trọng trên toàn thế giới,

đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước. Trong số các ngành sản xuất, chế biến
và lắp ráp thì ngành chăn ni đóng góp một lượng nước thải và mức độ ô
nhiễm vào môi trường rất lớn. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê [15], năm
2018 cả nước ta có khoảng 28,2 triệu con lợn, trung bình cứ một đầu lợn thải
ra 25 lít nước thải/ngày, tương đương khoảng 257,3 triệu m 3 nước thải/năm,
đây là một khối lượng nước thải rất lớn nếu như không được xử lý sẽ gây ô
nhiễm môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người. Các cơ

sở chăn nuôi quy mô trang trại hoặc nhỏ lẻ của nhiều địa phương chưa được
quy hoạch đầy đủ, vẫn mang tính tự phát và chủ yếu là áp dụng công nghệ
hầm biogas. Theo thống kê của Viện Khoa học Môi trường (2015), khoảng
67% trang trại chăn ni tập trung quy mơ lớn có hệ thống xử lý nước thải với
các loại công nghệ khác nhau, nhưng nhiều hệ thống có hiệu quả xử lý không
cao và chưa đạt các tiêu chuẩn, quy chuẩn xả thải ra môi trường [22].
Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải giàu hữu cơ, cặn, nitơ, phốt
pho và vi sinh vật, các giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong nước thải
chăn nuôi lợn rất cao, vượt rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải [19, 21]. Do
đó, việc áp dụng cơng nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với nước thải chăn
nuôi lợn là rất quan trọng và đang là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Có nhiều
phương pháp để xử lý loại nước thải này, trong đó phổ biến nhất là xử lý sinh
học yếm khí. Vấn đề đặt ra là làm sao có thể áp dụng một cách hiệu quả, kiểm
sốt được các kĩ thuật xử lý cao tải này; các yếu tố như cấu hình hệ thống, mật
độ bùn, chế độ vận hành ảnh hưởng đến năng lực và hiệu quả xử lý.
Hiện nay, trên thế giới kĩ thuật UASB được áp dụng rộng rãi nhưng nó
gặp khó khăn trong việc xử lý nước thải chăn nuôi lợn do thành phần nước thải

9


chứa nhiều cặn, hệ UASB vận hành tối ưu với dạng bùn hạt - là loại bùn khó
ni và tốn nhiều thời gian khởi động, đòi hỏi điều kiện vận hành phải chặt
chẽ. Hệ UASB cần phải cải tiến và khắc phục các nhược điểm này nhằm phù
hợp với đối tượng nước thải ô nhiễm hữu cơ cao. Kĩ thuật xử lý yếm khí tuần
hồn nội (IC) - thực chất là hệ UASB cải tiến có những ưu điểm như: hệ
thống có khả năng tự khuấy trộn cao nên tiêu tốn ít năng lượng, năng suất xử
lý cao phù hợp với nước thải có hàm lượng hữu cơ cao và tải lượng lớn. Mặt
khác, hệ IC sinh ra ít bùn - giảm chi phí xử lý bùn và có thể thu hồi năng
lượng. Tuy nhiên, kĩ thuật IC gặp phải một số hạn chế về mặt chế tạo yêu cầu

cột phản ứng có chiều cao lớn (từ 3 đến 20 mét) và khó khăn cho việc vận
hành và bảo trì, hơn nữa hệ này cũng chỉ hoạt động hiệu quả với vi sinh dạng
hạt. Do đó, hệ IC cũng cần phải được cải tiến về mặt kĩ thuật cho phù hợp tức là cải tiến hệ thống nhằm giảm chiều cao để khắc phục các hạn chế nêu
trên. Việc đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng
trên hệ thống cải tiến so với hệ nguyên mẫu cần phải được đặt ra.
Bên cạnh đó, kĩ thuật UASB cũng như kĩ thuật IC khi vận hành ở mật
độ bùn vi sinh lơ lửng quá cao (trên 10 g/l) bộc lộ hạn chế là bùn yếm khí dễ
bị rửa trơi ra ngồi cùng với nước thải ở cuối cột dẫn đến giảm hiệu quả xử lý
và nước thải đầu ra chứa nhiều vi sinh và cặn bùn. Một trong các giải pháp
nâng mật độ bùn hiệu quả là sử dụng vật liệu mang vi sinh, đồng thời đánh giá
được năng lực xử lý hữu cơ ở chế độ màng vi sinh cố định (AnFBBR) và
chuyển động (AnMBBR) được quan tâm trong luận án này.
Việc bước đầu áp dụng mơ hình hóa và mơ phỏng một số q trình xử lý
yếm khí đối với các thành phần hữu cơ nhằm đưa ra được một mơ hình q trình
phù hợp giữa kết quả tính tốn và thực nghiệm cũng được đặt ra đối với loại
nước thải chăn ni giàu hữu cơ trên thực tế. Mơ hình thu được sẽ cho phép tính
tốn được kết quả các chỉ tiêu quan tâm đối với thành phần nước thải đầu

10


vào biết trước; làm giảm được một số lượng lớn thực nghiệm, rút ngắn thời
gian, cơng sức, chi phí nghiên cứu và vận hành hệ thống thí nghiệm; cho phép
nhanh chóng đánh giá diễn biến và kiểm sốt q trình, góp phần thiết kế và
kiểm sốt được hệ thống xử lý quy mô nhỏ đến quy mô lớn đối với loại nước
thải chăn nuôi giàu hữu cơ đã được nghiên cứu.
Với những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu áp dụng và mơ hình hóa
cơng nghệ UASB cải tiến trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” được lựa
chọn nhằm mục đích giải quyết các u cầu nêu trên.
2.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
a. Mục đích
-

Khắc phục một số hạn chế của 2 kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải

(UASB và IC) theo hướng chia nhỏ chiều cao cột phản ứng đối với IC và
nâng cao mật độ vi sinh bằng cách sử dụng vật liệu mang đối với UASB.
-

Áp dụng mơ hình ADM1 để mơ phỏng kết quả thực nghiệm của các

q trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đưa ra được mơ hình mơ
phỏng phù hợp với mơ hình ADM1 (đi kèm với bộ số liệu các thơng số) áp
dụng cho hệ bùn yếm khí lơ lửng với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn.
b. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

So sánh khả năng xử lý chất hữu cơ tính theo COD (gọi tắt là COD),

TSS của hệ thống yếm khí tuần hồn nội cải tiến (MIC) so với hệ yếm khí
tuần hồn nội thơng thường (IC) khi thay đổi tải lượng COD đầu vào.
-

Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu mang vi sinh đến hiệu quả xử lý

COD, TSS trong bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định (AnFBBR) và
chuyển động (AnMBBR) so với hệ UASB cơ bản.
-

Chuẩn hóa mơ hình bằng cách thay đổi các thơng số trong các q

trình sinh học thành phần thuộc mơ hình yếm khí ADM1 nhằm tính tốn các
kết quả thành phần (trên cở sở tài liệu tham khảo và thực nghiệm).

11


-

Kiểm chứng kết quả mơ hình mơ phỏng với kết quả thực nghiệm q

trình xử lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đánh giá sự phù hợp của mơ
hình thu được.
3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng nghiên cứu
-

Nước thải chăn nuôi lợn giàu hữu cơ.

-

Các kĩ thuật UASB cơ bản, IC, IC cải tiến bằng cách chia nhỏ cột phản

ứng nhằm hạ thấp chiều cao hệ phản ứng (MIC) và hệ UASB sử dụng vật liệu

mang vi sinh ở chế độ cố định (AnFBBR) và chuyển động (AnMBBR).

Các q trình sinh học trong Mơ hình phân hủy yếm khí (Anaerobic

-

Digestion Model No. 1 - ADM1) đã được nhóm nhiệm vụ của Hiệp hội quốc
tế về chất lượng nước IAWQ phát triển. Mơ hình này được tích hợp trong
phần mềm GPS-X phục vụ mô phỏng các quá trình phân hủy yếm khí.
b. Phạm vi nghiên cứu
-

Nước thải chăn ni lợn được lấy tại hộ gia đình ở xã Đơng Mỹ, Thanh

Trì, Hà Nội và trang trại chăn nuôi lợn ở xã Kim Xá, Vĩnh Tường, Vĩnh Phúc.
-

05 kĩ thuật phản ứng yếm khí cao tải quy mơ PTN bao gồm: i)

UASB - kĩ thuật ngược dòng qua lớp đệm vi sinh yếm khí
ii)
iii)

IC - kĩ thuật phản ứng tuần hoàn nội
MIC - kĩ thuật IC được cải tiến về mặt kĩ thuật bằng cách chia nhỏ

cột phản ứng nhằm hạ thấp chiều cao hệ phản ứng
iv)
v)
-

AnFBBR - bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định

AnMBBR - bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động

Sử dụng vật liệu mang polyuretan hình khối xốp (PU-K30) và vật liệu

mang polyetylen hình bánh xe (PE-ĐTS15) đối với hệ AnFBBR và AnMBBR.
-

Mơ hình phân hủy yếm khí ADM1 bao gồm 19 q trình và 22 thơng

số (10 thơng số của thành phần hịa tan và 12 thơng số của thành phần rắn).

12


4. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
-

Cải tiến kĩ thuật yếm khí tuần hồn nội để xử lý nước thải chăn ni

lợn quy mơ phịng thí nghiệm.
-

Xác định 5 thành phần cacbonhydrat, protein, lipit, thành phần trơ

không tan và thành phần hữu cơ tan chậm phân hủy sinh học trong chất hữu
cơ thơng qua COD tổng, trên cơ sở đó xác định các tỉ lệ thành phần tương ứng
phục vụ mô hình hóa các q trình phân hủy yếm khí nước thải chăn ni.
-

Áp dụng mơ hình phân hủy yếm khí mơ phỏng các q trình xử lý

sinh học trong bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động (AnMBBR)
nhằm đề xuất được mơ hình phân hủy yếm khí dựa trên mơ hình ADM1 phù
hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn.
5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
a. Ý nghĩa khoa học
-

Đánh giá được hiệu quả xử lý thành phần COD, TSS đối với nước

thải chăn ni của 5 kĩ thuật xử lý yếm khí: UASB, IC, MIC, AnFBBR và
AnMBBR, và sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý vào các thông số vận hành hệ
phản ứng (giá trị COD đầu vào, tải lượng, thời gian lưu,...); đã xác định được
năng lực xử lý thông qua mối quan hệ giữa năng suất xử lý và hiệu suất xử lý
với tải lượng COD đầu vào.
-

Xác định được tỉ lệ của 5 thành phần cacbonhydrat, protein, lipit,

thành phần trơ không tan, thành phần hữu cơ tan chậm phân hủy sinh học từ
chất hữu cơ (COD tổng) có trong nước thải đầu vào bằng thực nghiệm làm cơ
sở tính tốn các hệ số chuyển hóa phục vụ mơ hình hóa các q trình phân
hủy yếm khí nước thải chăn nuôi.
-

Xác định được giá trị hệ số tốc độ phân rã (k′) của COD tổng, các giá

trị hệ số tốc độ thủy phân (k) của cacbonhydrat, protein, lipit và các giá trị hằng

số tốc độ phát triển sinh khối riêng cực đại (m) của axit propionic, axit axetic,

13


hiđrơ và hằng số bán bão hịa (K) của axit axetic bằng thuật toán “Vét cạn”
(Brute-Force Algorithm - thuật toán giải bài tốn tối ưu).
-

Kiểm chứng kết quả mơ phỏng với kết quả thực nghiệm q trình xử

lý yếm khí bằng kĩ thuật AnMBBR và đưa ra được mơ hình mô phỏng và các
thông số động học phù hợp với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn.
b. Ý nghĩa thực tiễn
-

Hệ MIC dựa trên cơ sở cải tiến hệ IC bằng cách chia nhỏ cột phản

ứng và được lắp đặt nối tiếp nhau nhằm làm giảm chiều cao, nó có ưu điểm
thuận tiện cho việc chế tạo và vận hành trên thực tế.
-

Dựa vào mối quan hệ giữa năng suất xử lý và hiệu suất xử lý với tải

lượng COD đầu vào làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn
nuôi lợn trên thực tế theo các công nghệ cải tiến đã nghiên cứu.
-

Hệ UASB sử dụng vật liệu mang để làm tăng mật độ vi sinh trong hệ

thí nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh và có thể làm giảm thời gian khởi động.
-

Mơ hình q trình phân hủy yếm khí thu được (gồm các phương

trình động học theo mơ hình phân hủy yếm khí ADM1 và các thơng số động
học) giúp hiểu rõ bản chất, kiểm sốt q trình, phục vụ hiệu quả cho việc
nghiên cứu, tiết kiệm thời gian, chi phí và có khả năng áp dụng trong thiết kế
các hệ thống xử lý ở quy mô thực tế.

14


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN
1.1.1. Giới thiệu chung về ngành chăn ni lợn
Để đáp ứng nhu cầu thực phẩm của con người, ngành chăn nuôi trên
thế giới đã phát triển rất nhanh và đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Tuy
nhiên, trong những năm gần đây, ngành chăn ni thế giới có nhiều biến động
về tốc độ phát triển, mức độ phân bố và phương thức sản xuất.
Theo báo cáo của Văn phòng Phân tích tồn cầu của Bộ Nơng nghiệp
Mỹ (USDA) về sản xuất và tiêu thụ thịt lợn ở một số quốc gia trên thế giới
những năm gần đây, trong đó Việt Nam ln ln đứng ở vị trí thứ 6 trên thế
giới về số lượng sản xuất khoảng 2,7 triệu tấn, đối với tiêu thụ thịt lợn thì
chúng ta đứng ở vị trí thứ 7 trong năm 2019 với số lượng khoảng 2,4 triệu tấn
và dự báo đến tháng 10 năm 2020 chúng ta sẽ xuống thứ 8 với số lượng tiêu
thụ khoảng 2,3 triệu tấn [70].
Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê về số lượng các loại vật ni
trong giai đoạn từ năm 2014 - 2018 được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Số lượng vật nuôi trong giai đoạn 2014 - 2018

Đơn vị tính: triệu con
Năm

2014
2015
2016
2017
2018


Theo kết quả thống kê (Bảng 1.1), số lượng lợn có sự thay đổi nhẹ
trong khoảng 26,8 đến 28,2 triệu con và được phân bố trên cả nước, trong đó
tập trung chính ở vùng Đồng bằng sơng Hồng và vùng Miền núi và Trung du.
Theo ước tính, tổng đàn lợn cả nước tháng 6/2019 giảm 10,3% và đến tháng
8/2019 giảm khoảng 18,5% so với cùng thời điểm năm 2018 [15].
Phương thức chăn nuôi hiện nay là chăn nuôi theo quy mô trang trại,
nông hộ, chăn nuôi lợn gia công và liên kết chăn nuôi theo chuỗi liên kết giữa
doanh nghiệp và trang trại, hợp tác xã để đảm bảo chia sẻ trách nhiệm, lợi ích
giữa các bên, tránh rủi ro, giúp truy xuất được nguồn gốc sản phẩm và cân đối
cung cầu các sản phẩm chăn nuôi. Về quy mô, chăn nuôi với quy mô nhỏ lẻ
tại các hộ gia đình hiện vẫn chiếm tỷ trọng lớn chiếm 65 - 70% về số lượng và
sản lượng. Nhìn chung, ngành chăn ni Việt Nam trong những năm gần đây
duy trì được sự phát triển ổn định và đã có những bước chuyển dịch từ chăn
nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi tập trung theo mơ hình trang trại, phù hợp với xu
hướng của thế giới. Theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1
năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê quyệt chiến lược phát triển
chăn nuôi đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang phương thức
trang trại công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất
lượng cho tiêu dùng và xuất khẩu [13].
1.1.2. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn

*

Nguồn phát sinh và lưu lượng xả thải

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng,
nước tắm vật ni. Trong nước thải chăn ni cịn có thể chứa một phần hay
tồn bộ lượng phân được vật ni thải ra. Theo khảo sát của tổ chức JICA và
Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, tại 5 trang trại chăn nuôi lợn điển hình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ
10-40 lít/đầu lợn/ngày, trong khi đó tại Nhật Bản con số này là 20-30 lít [20].

16


Năm 2018 cả nước ta có khoảng 28,2 triệu con lợn, trung bình cứ một
đầu lợn thải ra 25 lít nước thải trong một ngày, ước tính hàng năm ngành chăn
nuôi lợn thải ra môi trường khoảng 257,3 triệu m 3 nước thải, đây là một khối
lượng nước thải rất lớn nếu như không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường
và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người.
Trong những năm gần đây, cơ cấu ngành chăn ni Việt Nam có sự
thay đổi lớn, số lượng các hộ chăn nuôi nhỏ lẻ giảm xuống, trong khi số lượng
vật nuôi tăng lên. Các cơ sở chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ (nông hộ) hoặc quy mô
trang trại chưa được quy hoạch và mang tính tự phát có hệ thống xử lý chất
thải chưa hiệu quả, khoảng 30% trang trại nuôi lợn đã thực hiện tách riêng
việc thu gom chất thải rắn và lỏng, khoảng 60% trang trại thực hiện xử lý theo
dạng hỗn hợp [17]. Các trang trại chăn nuôi tập trung quy mô lớn (trên 1.000
con lợn), phần lớn có hệ thống xử lý nước thải (khoảng 67%) với các loại
công nghệ khác nhau, nhưng hiệu quả xử lý chưa đạt chuẩn, trong đó chỉ có
khoảng 2,8% có báo cáo đánh giá tác động mơi trường [22]. Công nghệ xử lý
chất thải chăn nuôi lợn quy mô trang trại chủ yếu là cơng nghệ bể biogas. Khí

biogas sinh ra được thu hồi để phục vụ cho mục đích đun nấu, chỉ một vài cơ
sở được sử dụng cho phát điện, tuy nhiên lượng khí dư thừa rất lớn được đốt
hoặc xả trực tiếp vào môi trường không khí.
Khi chăn ni tập trung, mật độ chăn ni tăng cao dẫn đến tải lượng
và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao. Một đầu lợn nuôi kiểu công nghiệp
trung bình hàng ngày thải ra lượng phân, nước tiểu khoảng 6 - 8 % khối lượng
của nó. Để sản xuất 1.000 kg thịt lợn thì hàng ngày phát sinh 84 kg nước tiểu,
39 kg phân, 11 kg TS (tổng chất rắn), 3,1 kg BOD5, 0,24 kg N-NH4+ [4].
Do hệ thống xử lý nước thải rất đơn giản như bể biogas, ao hồ nuôi
cá,... hoặc hệ thống xử lý chưa hiệu quả nên đa số nước thải chưa được xử lý
đạt QCVN thải trực tiếp ra môi trường [28].

17


Với hiện trạng đã nêu ở trên, việc xử lý chất thải và nước thải chăn
nuôi lợn cần được quan tâm và đưa ra các giải pháp xử lý triệt để trước khi
thải ra mơi trường.
*

Đặc tính của nước thải chăn nuôi lợn

Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng, phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như tuổi vật nuôi, chế độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng,
cách xử lý chất thải, .... Đặc tính nước thải chăn nuôi bị ảnh hưởng nhiều nhất
bởi sự pha loãng, lưu trữ và cách tách loại rắn lỏng.
Trong ba đối tượng vật ni (lợn, bị và gia cầm), chăn ni lợn có
mức độ ơ nhiễm cao nhất [14, 18]. Nước thải chăn ni có khả năng gây ơ
nhiễm mơi trường cao do trong chúng có chứa hàm lượng cao các chất hữu
cơ, nitơ, phôtpho, TSS và vi sinh vật gây bệnh [4].

Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi, kết quả khảo
sát của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội (2009) cho thấy, giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong nước thải chăn
nuôi lợn rất cao, với các giá trị tương ứng là 2.500 - 12.120; 185 - 4.539; 28 4

8

831; 19 - 5.830 mg/l và 4x10 - 10 MPN/100 ml [21]. Một kết quả khác về chất
lượng nước thải tại trang trại Hòa Bình Xanh (xã Hợp Hịa, huyện Lương Sơn,
tỉnh Hịa Bình) với khoảng 3.000 con lợn cũng cho thấy các thông số ô nhiễm
như COD, TN, TP và TSS tương ứng lần lượt là 5.630 ± 1.032, 544 ± 57, 60 ± 18
và 4.904 ± 901 mg/l [19]. Các giá trị ô nhiễm này đều cao hơn nhiều lần so với
tiêu chuẩn Ngành về vệ sinh nước thải chăn nuôi 10 TCN 678:2006 và vượt gấp
nhiều lần tiêu chuẩn khắt khe hơn là Quy chuẩn kĩ thuật Quốc gia về nước thải
chăn nuôi (QCVN 62-MT: 2016/BTNMT).

Theo Trương Thanh Cảnh [2], thành phần phân và nước tiểu của lợn
trưởng thành (70-100kg) được tổng hợp trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3 như sau:

18


Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân lợn có trọng lượng từ 70 - 100 kg
Thông số

Vật chất khô
N-NH4+
TN
Tro
Chất xơ

Cacbonat
Các axit mạch ngắn
pH
Bảng 1.3. Thành phần hóa học nước tiểu lợn có trọng lượng 70 - 100 kg
Chỉ tiêu

pH
Vật chất khô (TS)
N-NH4+
TN
Tro
Ure
Cacbonat
(Nguồn: Trương Thanh Cảnh, 1997)
Trong phân lợn (Bảng 1.2), vật chất khô chiếm 213 - 342 g/kg, tiếp
đến là chất xơ khoảng 151 - 261 g/kg. Trong tất cả các chất có trong nước
(Bảng 1.3), u rê là chất chiếm tỷ lệ cao (khoảng 12 - 20%) và dễ bị VSV
chuyển hóa trong điều kiện có ơxy tạo thành khí amoniac gây mùi khó chịu.
Thành phần nước tiểu thay đổi tùy thuộc tuổi vật nuôi, chế độ dinh dưỡng.
*

Ảnh hưởng đến môi trường

Để đáp ứng nhu cầu thực phẩm của con người, ngành chăn nuôi trên thế
giới đã phát triển rất nhanh và đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Tuy nhiên,
19


bên cạnh việc sản xuất và cung cấp một số lượng lớn sản phẩm, ngành chăn
nuôi cũng đã gây nên nhiều hiện tượng tiêu cực về môi trường như ô nhiễm

mơi trường nước, mơi trường khơng khí và đóng góp vào hiệu ứng ấm lên của
toàn cầu (global warming) do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính.
Theo Phùng Đức Tiến và Trịnh Quang Tuyên [14, 18], khi đánh giá
thực trạng ơ nhiễm mơi trường trong chăn ni nói chung cũng chỉ ra rằng
tình hình xử lý chất thải còn chưa được quan tâm đúng mức. Tỷ lệ cơ sở chăn
ni có khu xử lý chất thải đúng nghĩa rất thấp. Phương pháp xử lý cịn rất thơ
sơ chủ yếu là ủ phân tươi và xử lý bằng bể biogas. Nước ra từ bể biogas thải
trực tiếp ra môi trường nên môi trường chăn nuôi bị ô nhiễm nặng. Đặc biệt là
các chỉ tiêu vi sinh vật rất xấu, mật độ coliform cao hơn mức cho phép là 78 630 lần. Mức độ ơ nhiễm có xu hướng tăng theo số lượng vật nuôi.
Ở

Việt Nam, do lượng nước thải chăn nuôi hàng năm rất lớn, nồng độ

các chất ô nhiễm rất cao, trong khi đó cơng nghệ xử lý cịn thơ sơ nên việc
nghiên cứu phát triển cơng nghệ xử lý phù hợp rất cần thiết để bảo vệ môi
trường. Trong trường hợp này, đối tượng cần xử lý là nước thải giàu hữu cơ,
đồng thời có nồng độ N, P cao. Với các nước thải loại này, bước đầu tiên
trong dây chuyền công nghệ xử lý thường là các kĩ thuật xử lý yếm khí. Đây
cũng chính là đối tượng nghiên cứu của Luận án này.
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN
NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ
1.2.1. Quá trình phân hủy yếm khí
Phương trình tổng qt của phản ứng yếm khí phân huỷ hồn tồn chất

hữu cơ như sau:
CxHyOzNtSu + 1/4(4x - y - 2z + 3t + 2u) H2O → 1/8(4x - y + 2z + 3t + 2u) CO2

+ 1/8(4x + y - 2z - 3t - 2u) CH4 + tNH3 + uH2S

20

Các phản ứng tạo thành khí mêtan từ axit axetic, CO 2 và H2 dưới dạng
các phương trình [75].
CH3COOH → CH4 + CO2
CH3COOH + 4H2 → 2CH4 + 2H2O
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Tính chung cho cả q trình sinh học, các chất hữu cơ ban đẩu trải qua
quá trình phân hủy yếm khí và sản phẩm cuối cùng chính là khí biogas (CH4 +
CO2), trong đó CH4 chiếm khoảng 60% thể tích. Q trình phân hủy yếm khí
là tập hợp các phản ứng nối tiếp, song song và chia làm 4 giai đoạn được mô
tả như sơ đồ trong Hình 1.1 [51].

Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa chủ yếu trong hệ xử lý vi sinh yếm khí

Thủy phân
Thủy phân là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phân hủy yếm khí. Ở giai

21