Báo cáo khoa học: Xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR - Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải

Chia sẻ: Nguyen Viet Hoang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

230
lượt xem 63
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Báo cáo khoa học: Xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR - Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải giới thiệu về quá trình SBR, hiệu suất xử lý thí nghiệm lý thuyết của quá trình SBR hai chu trình thiếu – hiếu khí cấp nước hai lần, nguyên liệu và phương pháp, kết quả và thảo luận.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: Xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR - Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải

Wastewater: Anaerobically digested piggery Extensive pig breeding is being increasingly wastewaterTHỜI HỮU collected Nleads localproduce grown LÝin NGVietnam. NITThis from aI CHĂN NUÔI LỢN XỬ ĐỒ was CƠ VÀ Ơ TRONG ƯỚC THẢ to piggery farm. with everageỦA animal COD, great Bwastes PHÁP SBR:abundant CHẾ ĐỘ CẤofƯỚC THẢI and ẰNG PHƯƠNG The ẢNH HƯỞNG C value P N feces Phan Đỗ Hùng*, Phạm Thị Hải Thịnh, Trần Thị Thu Lan NH4+ in a confined area causing serious urine-N and T-N of anaerobically digested Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội * Tác giả liên hệ: ĐT: 0912 043 387; email : phdhung2000@yahoo.com wastewater were 300 - 700 Among environmental troubles. mg/L, 210 – them, 470 TÓM TẮT Hiệu quả xử lý đồng thời hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi l ợn của quá trình bùn hoạt tính theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) hai chu trình thiếu - hiếu khí cấp nước hai l ần đã đ ược nghiên cứu. Nước th ải chăn nuôi l ợn đã qua x ử lý s ơ b ộ mg/L and 250 one of the major pollution wastewater is– 480 mg/L, respectively. Cane bằng hầm biogas được cấp thành hai lần vào các giai đoạn thiếu khí với ba t ỉ l ệ cấp nước (t ỉ l ệ gi ữa l ượng n ước th ải đ ược c ấp lần thứ nhất và tổng lượng nước thải được xử lý mỗi mẻ) khác nhau 1/2, 2/3 và 3/4. Ảnh hưởng của các t ỉ l ệ này đ ến hi ệu qu ả xử lý COD, amoni và T-N đã được xác định bằng thực nghi ệm và đ ược so sánh với k ết qu ả ở tr ường h ợp c ấp n ước một l ần. sugar was used as additional carbon source sources. In Vietnam, piggery wastewater is Hiệu suất xử lý T-N lý thuyết cũng đã được thành lập và so sánh với hiệu suất thực nghi ệm. Kết qu ả nghiên cứu đã ch ỉ ra r ằng, với quá trình SBR hai chu trình thiếu – hiếu khí, cấp nước hai lần là một giải pháp đ ể nâng cao hi ệu quả x ử lý T-N c ủa quá trình. Thực nghiệm cho thấy, khi tăng tỉ lệ cấp nước, lúc đầu hiệu suất xử lý T-N s ẽ tăng, tuy nhiên đ ến m ột gi ới h ạn nh ất đ ịnh hi ệu suất xử lý T-N sẽ giảm trở lại. Hiệu suất xử lý T-N ở cả ba tỉ lệ cấp nước nghiên cứu đ ều khá cao, trong đó ở t ỉ l ệ 2/3 đ ạt cao for varying COD/T-N ratios mainly handled by anaerobic digesters and/or T-N in T-N out nhất, trong khoảng 85 – 90 %. Hiệu suất xử lý T-N thực nghiệm ở các t ỉ l ệ cấp nước thấp 1/2 và 2/3 khá phù h ợp v ới hi ệu su ất lý thuyết. Hiệu suất xử lý COD ở chế độ cấp nước hai lần cũng khá cao, 85 – 90% ở t ỉ l ệ cấp nước 2/3, xấp x ỉ v ới tr ường h ợp 600 cấp nước một lần. Các thông số về tải trọng COD và tải trọng T-N của quá trình đ ạt đ ược cũng khá cao, t ương ứng là 0,6 ± 0,3 Experiments: SBR system waseffective PVC biological ponds, or discharged directly into - The SBR process was highly made of kg-COD/(m3⋅ ngày) và 0,16 ± 0,06 kg-N/(m3⋅ ngày). Từ khóa: Chế độ cấp nước, Nước thải chăn nuôi lợn, SBR, Xử lý đồng thời hữu cơ và nitơ 500 with width somewhere. anaerobically receivers of 350 mm, having Discharge height of 620 of MỞ ĐẦU removal COD and T-N for Với định hướng phát triển chăn nuôi tập trung, chăn nuôi lợn qui mô trang trại công nghiệp đang được phát triển nhanh ở 400 Việt Nam trong những năm gần đây. Số lượng trang trại trong giai đoạn 2001 - 2008 tăng trên 50 % , năm 2009 - 2010 mm and working volume piggery SBR anaerobically digested 20 L. Thewastewater tăng 13,2 % (Cục chăn nuôi, 2011). Hiện nay cả nước có khoảng 8.500 trang trại chăn nuôi lợn tập trung, cung cấp T-N, mg/l digested piggery wastewater. khoảng 45 % sản lượng thịt lợn (Cục chăn nuôi, 2011) . Quy mô đàn lợn cả nước năm 2012 khoảng 26,5 triệu con (Cục thống kê, 2012), so với tổng quỹ đất đai và dân số đây là một con số rất l ớn. Chăn nuôi l ợn t ập trung qui mô l ớn trong 300 operation high high influence byT-N containingcycles were controlled toammonium organic and điều kiện diện tích trang trại hạn hẹp và gần với các khu dân cư đang dẫn đến một lượng lớn chất thải chứa nhiều phân và nước tiểu được thải ra trong những không gian hạn chế, đang gây ra những tác động môi trường tiêu cực đến khu vực - COD/T-N was trang trại và xung quanh. Ở Việt Nam, nước thải chăn nuôi lợn chủ yếu được xử li ́ sơ bộ bằng bể/hồ biogas và/ho ặc h ồ 200 sinh học. Xả thải nước thải chăn nuôi lợn mới chỉ xử lí sơ bộ qua bể/hồ biogas còn chứa nhi ều chất hữu cơ và nit ơ tr ực programmable timers.pH range of was contents efficiency. In the DOBecauseCOD/T-N is undesirable. system it10causes SBR tiếp vào nguồn tiếp nhận gây ra ô nhiễm môi trường và hiện tượng phú dưỡng cho các thủy vực, vì v ậy là không mong OPR removal NH4+ inCOD in NH4+out COD removal removal muốn. Các công nghệ hiện tại đang áp dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi ở nước ta nhìn chung m ới ch ỉ x ử lý đ ược một phần chất hữu cơ, còn các thành phần dinh dưỡng nitơ và photpho gần như chưa được xử lý. 100 COD out operating– oxygen demand in ofNH4+waspH 10 excessive withT-N removal efficiency receiving a on-line monitor the 8 ORP, Quá trình SBR (Sequencing Batch Reactor) là quá trình bùn hoạt tính được thực hiện theo mẻ, trong đó các giai đo ạn DO mg/liter) ratio of 3 5, 2000 600100 phản ứng và lắng được thực hiện trong cùng một thiết bị. Với sự thay đ ổi chế đ ộ sục khí v ới các chu trình s ục khí – 1 ngừng sục khí luân phiên có thể thực hiện nhiều chu trình hiếu - thiếu khí nối tiếp luân phiên trong cùng một bể phản ứng 6 and DO. Mode 1 reach of 75 2 high concentration water, and ammoniumMode – 85%.Mode 3 4 very high and - 0 at SBR. Nhờ vậy, quá trình này có thể xử lý đồng thời hữu cơ và nitơ. Các nghiên cứu trước đây (Chang Won Kim et al., 2000; Bortone G. et al., 1992; Song Yan et al., 2004) cho thấy quá trình SBR có hiệu quả xử lý hữu cơ và nitơ khá cao đ ối 20 40 60 80 100 120 140 160 pH (-) T-N removal, mg/L với nước thải chăn nuôi lợn. 500 1600 808 Experimental conditions: MLSS eutrophication is toxic to aquatic life. Besides,reached a - Effective treatment NH4+-N was 0 100 80 2 Với mục đích nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý hiệu quả đồngtime,ữday và chất dinh dưỡng trong nước thải ngành Operation thời h u cơ NH -N, mg/l COD concentration,% chăn nuôi lợn, trong nghiên cứu trước (Phạm Thị Hải Thịnh và đồng tác giả, 2012), chúng tôi đã nghiên c ứu ảnh h ưởng 20 400 của một số điều kiện vận hành như tỷ lệ COD/T-N (tỉ lệ giữa nhu cầu oxy hóa học và tổng nitơ) và chế đ ộ sục khí đ ến maintained in (mode 2 of anabout 99%), 60 of water high the rangeand4000environmental6 relatively bodies is also 3 – 5000 mg/L, Introduction hiệu quả xử lý COD và T-N của quá trình SBR đối với nước thải chăn nuôi đã qua xử lý k ỵ khí. V ới ch ế đ ộ hai chu trình 0 80 1200 thiếu - hiếu khí thích hợp, hiệu quả xử lý COD và T-N đạt khá cao, tương ứng là kho ảng 90 % và 80 – 85 %. Tuy nhiên 60 nồng độ T-N trong nước thải chăn nuôi lợn là rất cao và thay đổi trong trong khoảng khá rộng, vì v ậy nghiên c ứu nâng 300 ORP (mv) -20 T-N removal, % DO-40200 range of 3 – is considered as concern. SBR aeration6time in each batchone4 in60the cao hiệu quả xử lý nitơ của quá trình nhằm đáp ứng một cách ổn đ ịnh các quy chu ẩn x ả th ải là r ất c ần thi ết. Trong process mg/L, hydraulic nghiên cứu này, ảnh hưởng của tỉ lệ cấp nước thải đến hiệu quả xử lý của quá trình SBR hai chu trình thi ếu - hi ếu khí + demonstrating 4 ORP ( V) cấp nước hai lần đã được nghiên cứu và so sánh với chế độ cấp nước một lần. Hi ệu suất xử lý T-N lý thuy ết c ủa quá 800 40 40 trình cũng đã được thiết lập và so sánh với hiệu suất xử lý thực nghiệm. retention time (HRT) of 2Mode nitrogen Mode of the effective to1 nitrification.T-N removal 3 in 2 1 biologicalMode 2 inflow removal days, rate m -60 ModeMode HIỆU SUẤT XỬ LÝ T-N LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SBR HAI CHU TRÌNH THIẾU – HIẾU KHÍ CẤP NƯỚC HAI LẦN 2 Mode 3 was appropriate -80100 40 Trong nghiên cứu này quá trình SBR được thực hiện theo hai chu trình thiếu – hiếu khí và nước thải được cấp làm hai lần processesof from batch,T-N removal 12rate (a) batch 0 the-100 400 timeL/1 piggery wastewater.the 20 range 5 about 6 hours/ outflow hours Thein vào khoảng thời gian đầu của các giai đoạn thiếu khí như chỉ ra ở Hình 1 và Bảng 2. Cấp nước thải lần hai vào giai đoạn 20 thiếu khí thứ hai nhằm tận dụng cơ chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để thực hiện quá trình khử nitrat/nitrit là sản phẩm - Aeration -120 20 0 của giai đoạn hiếu khí thứ nhất, từ đó có thể nâng cao hiệu suất xử lý T-N của quá trình. range0of10 2 of 4 the 60 8 9 100 batch. is to objectives L/1 batch, 6127 hours/1study 140 160 0 5 present 10 11120 Quan hệ giữa hiệu suất xử lý T-N lý thuyết của quá trình SBR hai chu trình thiếu – hiếu khí cấp nước hai l ần và tỉ l ệ cấp nước được thành lập dựa trên phương trình cân bằng vật chất của quá trình với các giả thiết sau: (a) Đ ủ cơ chất hữu cơ was appropriate to nitrification. However, 160 0 20 3 405 80 12 0 cho các quá trình nitrit/nitrat hóa ở các giai đoạn thiếu khí (ngừng sục khí), và quá trình khử nitrat/nitrit trong các giai đo ạn thiếu khí xảy ra hoàn toàn; (b) Toàn bộ lượng nitơ sau xử lý hiếu khí đều tồn tại dưới dạng nitrit và/hoặc nitrat, tức là toàn 20 Operation time (hour) Operation the effectsOperation time3 dayaeration 160 investigate 20 – oxic cycles 100,h100 120 to140 140in 5 0 0 modes: Mode 1: time, day 120 nitrogen 0 double 0 anoxic 40 60 1 40 Operation 8 of80operation 4 60 2 80 bộ lượng nitơ hữu cơ đều được chuyển thành dạng vô cơ và quá trình nitrit/nitrat hóa (chuy ển hóa amoni thành nitrit was highest và/hoặc nitrat) xảy ra hoàn toàn; (c) Lượng nitơ chuyển hóa vào tế bào vi sinh vật là không đáng kể so với l ượng chuyển hóa thành khí nitơ; (d) Có thể bỏ qua lượng nitrit/nitrat bị khử trong giai đoạn lắng và xả; và (e) Nồng độ nitrit và nitrat đ ầu total/12 andof pH, DO 2: 6h aeration in modes h batch;ratio Operation time, dayORP during a to removal efficiency, COD, Change Modeof T-N removal and organic carbon COD:N ratio vào là không đáng kể. Fig. 1: Change of pH, DO and ORP Experimental Conclusions Results total/125:ofofremoval innitrogen T-Noperationh(b) nitrogenhonCODTotalofratio different treatment ofd efficiencrybatch;removalCOD/T-N ratio to T-N modes Effect 3: N-NH +Mode in(a) singleremovalremova 4: SBR performance removal treatment differentin removal 3: batch cycle COD aeration/12 6h Fig.Fig. 2:COD/T-N different respectively. mode 90%removal in onoperationmode, Fig. T-NInfluence and 85%, removalmodes Ammonium operation
Từ các giả thiết trên, suy ra rằng lượng nitơ chuyển hóa thành khí nitơ (N 2) ở giai đoạn thiếu khí thứ nhất chính là lượng T-N còn lại trong bể phản ứng sau khi xả nước thải đã xử lý ở mẻ xử lý trước đó, tức là nVC. Theo giả thiết (b), toàn bộ lượng T-N do nước thải cấp lnướmộtnmang vào ( aVCo) sẽ chuyển hóa thành nitrit và/hoặc nitrat Cấp ần c lầ 2 sau giai đoạn hiếu khí thứ nhất. Và theo nVC thiết (a), (1-a)V, ộ lượng này sẽ chuyển hóa thành N 2 sau giai đoạn thiếu khí N2, giả toàn b C o N2, aVCo thứ hai. Cấp nước Phươngầtrình cân bằng vật chất đối với thành phần T-N cho một mẻ xử lý như sau: l n1 T-N vào − Lượng T-N ra = LGiai nitơ (nitrit/nitrat) chuyển hóa thành N2; hay: LượngaV, Co ượng Giai Giai Tháo Giai đoạn đoạn đoạn đoạn nV, C thiếu hiếu khí (1) V, C thiếu hiếu khí nV, C khí 1 1 khí 2 2 hay (2) (1 - a)VCo ếu – hiếu khí Lắng, xả Trong phương trình (1), aVCo và Chu trình thilà lượng T-N1do nước thảtrình thiếvào hiếcác lần cấp; VC là lượng T-N do nước Chu i mang u – ở u khí Hình ra; nVC ận hành như đã giả thích ở của là trình nitơ được 2 thải mang1. Sơ đồ vvà aVCo, và cân bằngi vật chất trên,quálượngSBR hai chuchuyểthihóa–thànhkhí cấpơ ước hai lần đo ạn trình n ếu hiếu khí nit n trong hai giai thiếu khí.tỉ lệ cấp nước (tỉ lệ giữa lượng nước thải cấp vào lần một và tổng lượng nước thải xử lý trong m ột m ẻ); V: l ượng a: nước thải xử lý trong mỗi mẻ; C và C: nồng độ T-N trong nước thải đầu vào và đầu ra; n: tỉ lệ lưu nước (t ỉ lệ giữa Từ (2) ta nhận được phương trình hio u suất xử lý T-N (η) như sau: ệ lượng nước còn lại trong bể SBR sau khi xả nước thải đã xử lý và lượng nước thải xử lý trong một m ẻ); nV là lượng nước thải còn lại trong bể SBR sau khi xả nước thải đã xử lý (3) Từ (3) có thể thấy rằng, nếu các giả thiết nêu trên được thỏa mãn thì hiệu suất xử lý T-N càng cao khi a và/hoặc n càng lớn. Tuy nhiên, trong thực tế khi a lớn hơn một giá trị nào đó thì lượng nước thải cấp lần hai quá nhỏ, do đó không cung cấp đủ cơ chất hữu cơ cho giai đoạn thiếu khí thứ hai. Vì vậy khi đó hiệu suất xử lý T-N sẽ giảm. Như vậy, đ ể đ ạt đ ược hiệu quả xử lý T-N cao nhất, tối ưu hóa tỉ lệ cấp nước là rất cần thiết. Bằng phương pháp tương tự như trên ta có thể xác định được hiệu suất xử lý T-N lý thuyết trong tr ường h ợp c ấp n ước một lần trong giai đoạn thiếu khí thứ nhất như sau: (4) Từ (3) và (4) có thể thấy rằng, theo lý thuyết, cấp nước hai lần vào các giai đoạn thiếu khí với tỉ lệ thích hợp sẽ cho hiệu suất xử lý T-N lớn hơn so với trường hợp cấp nước một lần từ đầu. Bảng 1. Thành phần của nước thải chăn NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP nuôi lợn trong nghiên cứu Nước thải Thông số Khoảng dao động Nước thải sử dụng trong nghiên cứu này là nước thải chăn nuôi lợn đã qua xử lý kỵ khí bằng hầm biogas có đặc trưng như ở Bảng 1. Nước thải có pH 6,8 – 7,4 nồng độ chất hữu cơ và nitơ cao. CODCr (mg/L) 850 – 1400 Hệ thiết bị SBR phòng thí nghiệm N-NH4+ (mg/L) 190 – 390 Các nghiên cứu được thực hiện trên hệ thiết bị SBR có dung tích hữu ích 20 L như trong nghiên cứu trước (Phạm Thị Hải Thịnh và đồng tác giả, 2012). T-N (mg/L) 200 – 410 Không khí chỉ được sục vào hệ SBR trong các giai đoạn hiếu khí với tốc độ T-P (mg/L) 25 – 66 10 L/phút. Bơm cấp nước thải, bơm hút nước sau xử lí là bơm định lượng có thể điều chỉnh được lưu lượng. Chế độ hoạt động (thời gian hoạt động, dừng) của các bơm, máy thổi khí và mô tơ khuấy có thể cài đặt, thay đổi được và được điều khiển tự động. Các thông số pH, ORP (thế oxy hóa khử), DO (nồng độ oxy hòa tan) được hiện thị trên bảng điều khiển và được kết nối với máy tính. Trong quá trình thí nghiệm, nồng độ bùn (MLSS) được duy trì trong khoảng 4000 – 5000 mg/l; pH trong khoảng 7,0 – 8,5; DO trong khoảng 4 – 6 mg/l (trong lúc đang sục khí); tỷ lệ COD/T-N > 3, trung bình 3,75; thời gian lưu 2 ngày. Các chế độ thí nghiệm Bảng 2. Các chế độ vận hành Thời gian một mẻ, giờ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Chu trình thiếu – hiếu khí 1 Chu trình thiếu – hiếu khí 2 Các giai đoạn Lắng, xả A1 O1 A2 O2 Tỉ lệ cấp nước a = 1/2 A, F O A, F O S D a = 2/3 A, F O A, F O S D a = 3/4 A, F O A, F O S D A: Thiếu khí (Anoxic, giai đoạn không sục khí); O: Hiếu khí (Oxic, giai đoạn sục khí); S: L ắng (Settling); D: Xả (Decanting), F: C ấp nước thải (Feeding, trong 30 phút đầu tiên của mỗi giai đoạn thiếu khí); a: Tỷ lệ cấp nước (t ỉ lệ giữa l ượng n ước th ải c ấp vào l ần một và tổng lượng nước thải xử lý trong một mẻ) Các nghiên cứu đều được tiến hành với hai chu trình thiếu – hiếu khí như trình bày ở Bảng 2. Thời gian của các giai đoạn thiếu khí thứ nhất và thứ hai tương ứng là 1 h và 3 h. Các giai đoạn hiếu khí đều được thực hiện trong 3 h. Trong mỗi mẻ xử lý 12 h, nước thải được cấp hai lần, mỗi lần 30 phút vào thời gian đ ầu của các giai đo ạn thi ếu khí. T ổng l ượng n ước thải cấp và rút ra trong mỗi mẻ xử lý là 5 lít và lượng nước thải còn lại trong bể SBR sau mỗi mẻ xử lý là 15 lít (nghĩa là n = 3). Tỉ lệ cấp nước a (tỉ lệ giữa lượng nước thải được cấp lần thứ nhất và tổng lượng nước thải cấp cho mỗi mẻ) đ ược thay đổi với ba chế độ 1/2, 2/3 và 3/4. Thời gian lắng và xả cuối mỗi mẻ xử lý đều là 1 h.
Phương pháp phân tích COD được xác định bằng phương pháp chuẩn độ đicromat kali theo TCVN 6491:1999, sử dụng thiết bị phản ứng Thermoreactor TR 320 (Merck, Đức). N-NH4+ được xác định bằng phương pháp Phenat, theo Standard Methods 1995. N- NO3- được xác định bằng phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic, theo TCVN 6180:1996. N-NO2- được xác định bằng phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử theo TCVN 6178:1996. T-P được xác định theo phương pháp so màu axit ascorbic, theo standard Method 1995. T-N được xác định trên máy phân tích TOC-N (model TNM-1, Shimadzu, Nhật Bản) bằng phương pháp đốt các hợp chất nitơ thành NO ở 7200C có xúc tác và phát hiện bằng detectơ quang hóa. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp nước đến hiệu suất xử lý COD Kết quả ở Hình 2 cho thấy, hiệu suất xử lý COD ở ba tỉ lệ cấp nước đã nghiên cứu đều khá cao. Tuy nhiên hiệu suất ở tỉ lệ cấp nước a = 1/2 ít nhiều thấp hơn và ít ổn định hơn ở các tỉ lệ cấp nước a = 2/3 và 3/4 (80 – 90 % so với 85 – 90 %). Khi tỉ lệ a tăng lên, tức là lượng nước cấp lần hai sẽ giảm đi, do đó tải trọng COD cho chu trình thiếu a = 1/2 a = 2/3 a = 3/4 - hiếu khí thứ hai sẽ giảm đi, dẫn đến hiệu quả xử lý COD của chu trình thiếu - hiếu khí thứ hai sẽ triệt để hơn. Điều này dẫn tới hi ệu suất xử lý COD sẽ tăng lên khi tăng tỉ lệ a như kết quả nhận được ở trên. Trong nghiên cứu trước (Phạm Thị Hải Thịnh và đồng tác giả, 2012), hiệu suất xử lý COD trong trường hợp cấp nước một lần (chỉ cấp nước một lần duy nhất vào đầu giai đoạn thiếu khí thứ nhất) đạt Hình 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp nước đến được là 90 – 93 %. Như vây, hiệu suất xử lý COD trong trường cấp hiệu suất xử lý COD nước hai lần có phần thấp hơn so với trường hợp cấp nước một lần. Kết quả này cũng là hệ quả của những lý do đã được nêu trên. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp nước đến hiệu quả xử lý nitơ Hiệu quả xử lý amoni Hiệu quả xử lý nitơ amoni (N-NH4+) ở các tỉ lệ cấp nước khác nhau được thể hiện trên Hình 3. Kết quả cho thấy với N-NH 4+ vào dao động trong khoảng 190 – 390 mg/l, hiệu suất chuyển hóa amoni gần như a = 1/2 a = 2/3 a = 3/4 hoàn toàn, đều xấp xỉ 100 % cho cả ba trường hợp, nồng độ N-NH 4+ trong nước đã xử lý hầu hết đạt dưới 5 mg/l. Kết quả này chứng tỏ thời gian của các giai đoạn hiếu khí đủ để đảm bảo hầu hết toàn bộ lượng N-NH4+ có trong nước thải đều được nitrit/nitrat hóa. Hình 3. N-NH4+ vào, ra và hiệu suất xử lý N-NH4+ ở Hiệu quả khử nitrat/nitrit các tỉ lệ cấp nước khác nhau Nếu quá trình khử nitrat/nitrit trong các giai đoạn thiếu khí xảy ra không triệt để, nitơ sẽ tích tụ lại trong hệ dưới dạng nitrit và/hoặc nitrat (sản phẩm của quá trình chuyển hóa amoni và nitơ hữu cơ trong các a = 1/2 a = 2/3 a = 3/4 giai đoạn hiếu khí). Tuy nhiên kết quả ở Hình 4 cho thấy, trong khi nồng độ nitơ amoni và T-N đầu vào tương ứng trong các khoảng 190 – 390 mg/l và 200 – 410 mg/l thì tổng nồng độ nitơ nitrit và nitrat trong nước thải đầu ra chỉ trong khoảng 15 – 55 mg/l. Kết quả này chứng tỏ quá trình khử nitrat/nitrit trong các giai đoạn thiếu khí đã xảy ra khá hoàn toàn. So sánh giữa ba chế độ cấp nước, ta thấy tổng nồng đ ộ nitơ nitrit và nitrat trong trường hợp a = 1/2 lớn so với hai trường hợp còn lại. Cần lưu ý rằng, lượng amoni và nitơ hữu cơ do nước thải cấp lần hai mang vào sẽ được chuyển hóa thành nitrit và/hoặc nitrat trong giai đoạn hiếu khí thứ hai và sẽ được tích tụ lại trong hệ dưới các dạng này vì không được chuyển hóa tiếp. Do đó khi lượng nước thải cấp lần Hình 4. Nồng độ N-NO2- và N-NO3- đầu ra ở các hai tăng (tức khi a nhỏ) thì khả năng tích tụ nitrit/nitrat của hệ sẽ tăng. tỉ lệ cấp nước khác nhau Đó là lý do vì sao tổng nồng độ nitơ nitrit và nitrat trong nước thải sau xử lý ở trường hợp a = 1/2 cao hơn các trường hợp kia. Hiệu quả xử lý T-N Mục đích của cấp nước hai lần là tận dụng cơ chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để cung cấp cho quá trình khử nitrat/nitrit trong giai đoạn thiếu khí thứ hai, nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình này. Vì vậy, cấp nước hai lần có thể nâng cao hiệu quả xử lý T-N của a = 1/2 a = 3/4 a = 2/3 toàn bộ quá trình. Hiệu quả xử lý T-N ở các tỷ lệ cấp nước khác nhau trong điều kiện tải trọng COD 0,6 ± 0,2 kg-COD/(m3⋅ ngày), tải trọng T-N tính theo thể tích 0,16 ± 0,05 kg-N/(m3⋅ ngày) và tính theo bùn 0,03 ± 0,01 kg- N/(kg-MLSS⋅ ngày) được thể hiện trên Hình 5. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý T-N ở cả ba chế độ đều khá cao, trong đó đạt cao nhất ở chế độ a = 2/3, trong khoảng 85 – 90%. Nếu chỉ tính riêng tổng nitơ Kjeldahl (TKN), hiệu suất xử lý đạt trong khoảng 95 – 99%. Như đã trình bày ở phần trên, hiệu suất xử lý T-N, theo lý Hiệu suất lý thuyết (n = 3) Hình 5. Hiệu quả xử lý T-N ở các tỉ lệ cấp nước khác nhau
thuyết, sẽ tăng khi tăng tỉ lệ cấp nước a. Tuy nhiên, trong thực tế khi a tăng đến một giới hạn nào đó, lượng nước cấp lần hai trở nên quá nhỏ, không cung cấp đủ cơ chất hữu cơ cho quá trình thiếu khí thứ hai, vì vậy quá trình khử nitrat/nitrit ở giai đoạn này xảy ra kém triệt để, dẫn đến hiệu quả xử lý T-N giảm. Kết quả thực nghiệm nhận đ ược cũng có xu hướng này, hiệu suất xử lý T-N tăng khi tăng a từ 1/2 lên 2/3, nhưng sau đó giảm khi tăng a lên 3/4. Kết quả trên Hình 5 cũng cho thấy rằng hiệu suất thực nghiệm ở các trường hợp a = 1/2 và 2/3 khá tương đ ồng với hi ệu suất lý thuy ết (82 – 88 % so với 87,5 % đối với trường hợp a = 1/2; và 85 – 90 % so với 91,7 % đối với trường hợp a = 2/3). Tuy nhiên, sai khác này tăng lên khi tăng a lên 3/4 (84 – 88 % so với 93,7 %). Kết quả này một l ần nữa cho thấy khi a càng lớn, khác biệt giữa hiệu suất thực tế và lý thuyết càng lớn. So sánh kết quả của nghiên cứu này với nghiên cứu trước của chúng tôi (Phạm Thị Hải Thịnh và đ ồng tác gi ả, 2012), thấy rằng chế độ cấp nước hai lần cho hiệu quả xử lý T-N cao và ổn định hơn so với chế độ cấp nước một lần trong một mẻ (Bảng 3). Một số kết quả nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng quá trình SBR ho ặc tương tự cũng được tổng hợp trong Bảng 3. Trong các nghiên cứu này, nghiên cứu của Zhang và đồng tác giả (2006) cho hi ệu quả xử lý cao hơn cả, đ ối với cả COD và T-N; tải trọng COD và T-N cũng đạt rất cao. Nước thải trong nghiên cứu này có COD và tỉ lệ COD/T-N rất cao và các tác giả đã đưa thêm các giai đoạn kỵ khí vào trước và giữa các giai đo ạn thi ếu khí/hi ếu khí, do đó đã nâng cao được tải trọng xử lý COD. Mặt khác các tác giả đã thực nghiệm ở thời gian lưu tương đối lớn, tỉ l ệ COD/T-N (7,5) và tỉ l ệ lưu nước (n = 9) rất cao, vì vậy cũng đã nâng cao được hiệu suất xử lý T-N (trong trường hợp này hi ệu su ất lý thuy ết là 96,7 %). Nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện ở tỉ lệ lưu nước thấp hơn ( n = 3, hiệu suất lý thuyết 91,7 %), có lẽ đây là một trong các yếu tố làm cho hiệu quả xử lý T-N chưa cao bằng nghiên cứu trên. So sánh với kết quả nghiên cứu của các tác giả còn lại, kết quả trong nghiên cứu này của chúng tôi có phần nhỉnh hơn về hiệu suất cũng như tải trọng xử lý. Bảng 3. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu Điều kiện thí nghiệm Hiệu quả xử lý (%) Tác giả Thời gian Tải trọng (kg/(m3⋅ ngày)) COD T-N hoặc Ghi chú N-NH4+ lưu (ngày) COD T-N (TOC) (TKN) Bortone G. (1992) 10 0,37 0,13 ~ 93 - (88 – 93) SBR cấp nước một lần Chang Won Kim (2000) - 1,0 0,2 57 - 87 91 - 95 - SBR cấp nước một lần SBR cấp nước hai lần, a = 2/3, n = 9; qui trình vận ZhiJian Zhang (2006) 3,3 2,1 0,28 96,3 100 97,5 hành: Kỵ khí – thiếu khí/hiếu khí – kỵ khí – thiếu khí/hiếu khí Sục khí luân phiên cấp Jiang Cheng (2011) 3 0,23 0,095 57 92 (91) nước liên tục Mohammad N. (2011) 4,7 0,42 0,36 80,3 - 61 SBR cấp nước một lần Nghiên cứu trước (cấp nước 1 lần) (Phạm Thị 2 0,7 ± 0,2 0,18 ± 0,05 90 - 93 97 - 100 80 - 85 SBR cấp nước một lần Hải Thịnh, 2012) 85 – 90 SBR cấp nước hai lần, a Nghiên cứu này (a =2/3) 2 0,6 ± 0,2 0,16 ± 0,05 85 - 90 ~ 100 (95 – 99) = 2/3, n = 3 KẾT LUẬN Với quá trình SBR hai chu trình thiếu – hiếu khí, cấp nước hai l ần là một giải pháp đ ể nâng cao hiệu quả xử lý T-N của quá trình. Thực nghiệm cho thấy, khi tăng tỉ lệ cấp nước (tỉ lệ giữa lượng nước thải cấp lần thứ nhất và tổng lượng nước thải xử lý trong một mẻ), lúc đầu hiệu suất xử lý T-N sẽ tăng, tuy nhiên đến một giới hạn nhất định hiệu suất xử lý T-N sẽ giảm trở lại. Hiệu suất xử lý T-N ở cả ba tỉ lệ cấp nước nghiên cứu đều khá cao, trong đó ở tỉ lệ 2/3 đạt cao nhất, trong kho ảng 85 – 90 %. Hiệu suất xử lý T-N thực nghiệm ở các tỉ lệ cấp nước thấp 1/2 và 2/3 khá phù hợp với hiệu suất lý thuyết. Hiệu suất xử lý COD ở chế độ cấp nước hai lần cũng khá cao, 85 – 90% ở tỉ lệ cấp nước 2/3, xấp xỉ với trường hợp cấp nước một lần. Các thông số liên quan đến tốc độ của quá trình là tải trọng COD và tải trọng T-N đạt đ ược cũng khá cao, tương ứng là 0,6 ± 0,2 kg-COD/(m3⋅ ngày) và 0,16 ± 0,05 kg-N/(m3⋅ ngày). Lời cảm ơn Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ về kinh phí của đề tài cấp nhà nước KC.08.04/11-15. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bortone G., Gemelli S., Rambaldi A. and Tilche A. (1992) Nitrification, Denitrification and Biological Phosphate Removal in Sequencing Batch Reactors Treating Piggery Wastewater. Wat Sci Tech 26(5-6): 977-985. Chang Won Kim, Myung –Won Choi, Ji-Yeon Ha (2000) Optimazation of operating mode for sequecing batch reactor (SBR) treating piggery wastewater with high nitrogen, 2nd. Int. Sym. on SBR Technology IWA, 10 – 12, July, France,. Cục chăn nuôi (2011) Báo cáo đánh giá sản xuất chăn nuôi năm 2011 và đ ịnh hướng tái c ơ c ấu ngành chăn nuôi giai đo ạn 2012 – 2020. Cục chăn nuôi (2011) Báo cáo bảo vệ môi trường trong hoạt động chăn nuôi giai đoạn 2005 – 2010 và đ ịnh hướng đến năm 2020. Cục thống kê (2012) Tình hình kinh tế xã hội.
Jiayang Cheng, Bin Liu (2011) Nitrification/Denitrification in Intermittent Aeration Process for Swine Wastewater Treatment. Journal of Environment Engineering 127(8): 705-711. N. Mohammad, J. Keum, Md. J. Alam (2011) Treatment of Swine Wastewater Using Sequencing Batch reactor. Engineering in Agriculture Environment and Food 4(2): 47 – 53. Phạm Thị Hải Thịnh, Phan Đỗ Hùng, Trần Thị Thu Lan (2012) Xử lí đồng thời hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi l ợn b ằng phương pháp SBR: Ảnh hưởng của chế độ vận hành và tỉ lệ giữa cacbon hữu cơ và nitơ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50(2B): 153 – 161. Song Yan, Filali-Meknassi Y., Tyagi R. D. and Surampalli R. Y. (2004) Recent Advances in Wastewater Treatment in Requencing Batch Reactor. Advances in Water and Wastewater Treatment. American Society of Civil Engrineers 148-177. ZhiJian Zhang, Jun Zhu, Jennifer King, WenHong Li (2006) A Two-step Fed SBR for Treating Swine manure. Process Biochemistry, 41: 892-900. SIMULTANEOUS ORGANIC AND NITROGEN REMOVAL FROM PIGGERY WASTEWATER BY SBR PROCESS: EFFECTS OF FEEDING MODE Phan Đo Hung*, Pham Thi Hai Thinh, Tran Thi Thu Lan Institute of Environmental Technology, VAST, 18 Hoang Quoc Viet road, Cau Giay district, Hà Nội * Author for corresspondence: Tel: +84-0912 043 387; email: phdhung2000@yahoo.com SUMMARY Simultaneous removal of organic and nitrogen matters from piggery wastewater by Sequencing Batch Reactor (SBR) process integrated with double anoxic – oxic cycles and two-step feeding was investigated. Anaerobically digested piggery wastewater was fed stepwise into the reactor during the anoxic stages with three different feeding ratios (ratio of wastewater volume of the first feeding to the total feeding volume in each batch) of 1/2, 2/3 and 3/4. Effects of these ratios on removal of chemical oxygen demand (COD), ammonium and total nitrogen (T-N) were experimentally determined and compared with those obtained in the case of single feeding mode. Theoretical T-N removal efficiencies were also described and compared with the experimental ones. The results indicated that step feeding is a means for enhancing T-N removal. It was also shown that when increasing the feeding ratio, T-N removal efficiency increased in the first instance, however then decreased when the ratio reaching a given value. Experimental T-N removal efficiencies at three investigated feeding ratios were rather high, in which the highest was obtained at the ratio of 2/3, in the range of 85 – 90 %. The experimental T-N removal efficiencies at the low feeding ratios of 1/2 and 2/3 were in the same level with the theoretical ones. COD removal efficiencies in two-step feeding mode were also rather high, 85 – 90 % at the ratio of 2/3, close to that obtained in the single feeding mode. High values of COD and T-N loads were also achieved, 0.6 ± 0.3 kg-COD⋅ m-3⋅ day-1 and 0.16 ± 0.06 kg-N⋅ m-3⋅ day-1, respectively. Keywords: Piggery wastewater, SBR, Simultaneous organic and nitrogen removal, Step feeding