Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát triển kĩ thuật yếm khí cao tải xử lí nước thải giàu hữu cơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đè tài tiến hành đánh giá được khả năng xử lí thành phần hữu cơ có trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hai công nghệ xử lí yếm khí là kĩ thuật tuần hoàn nội (IC) và dạng cải tiến của kĩ thuật yếm khí theo kiểu vách ngăn đảo chiều (ABR). Trên cơ sở đó xác định được mối quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lí để phục vụ cho thiết kế trong thực tế sau này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát triển kĩ thuật yếm khí cao tải xử lí nước thải giàu hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Thị Kim Loan ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KĨ THUẬT YẾM KHÍ CAO TẢI XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Thị Kim Loan ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KĨ THUẬT YẾM KHÍ CAO TẢI XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng Mã số : 60440120 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Lê Văn Chiều HÀ NỘI – 2014
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện được luận văn tốt nghiệp ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những những kiến thức cho tôi trong thời gian học tập tại trường. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Văn Chiều, thầy hướng dẫn trực tiếp luận văn. Thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sỹ này. Trân trọng cảm ơn các anh chị trong trung tâm CETASD (Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững) đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn là một phần của đề tài KC 08-04/11-15 cấp Nhà nước, Bộ Khoa học và Công nghệ tài trợ. Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới gia đình những người quan tâm, động viên và đồng thời là chỗ dựa tinh thần lớn giúp tôi hoàn thành tốt công trình luận văn vừa qua. Hà nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Phạm Thị Kim Loan
MỤC L ỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1. Nước thải chăn nuôi ......................................................................................3 1.1.1. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn .............................................................3 1.1.2. Hiện trạng chất thải chăn nuôi tại Việt Nam và một số phương pháp xử lí nước thải chăn nuôi ..............................................................................................4 1.2. Tổng quan về kĩ thuật xử lý yếm khí ............................................................6 1.2.1. Lịch sử phát triển của kĩ thuật xử lý yếm khí ............................................6 1.2.2. Ưu, nhược điểm của kĩ thuật vi sinh yếm khí so với kĩ thuật vi sinh hiếu khí ........................................................................................................................7 1.2.3. Các quá trình vi sinh trong điều kiện yếm khí ...........................................8 1.3. Kĩ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation – IC) ..................................10 1.4. Kĩ thuật yếm khí ảo chiều (Anaero ic affled Reactor - ABR) ............13 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 17 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ...................................................................................17 2.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ................................................................17 2.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................17 2.2.2. Nội dung nghiên cứu................................................................................17 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................18 2.3.1. Thiết bị nghiên cứu .................................................................................18 2.3.2. Thiết bị phân tích, dụng cụ và hóa chất ...................................................24 2.3.3. Qui trình thí nghiệm.................................................................................24 2.3.4. Các phương pháp phân tích .....................................................................25 2.3.5. Các công thức tính toán ...........................................................................25 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 27 3.1. Đặc iểm nƣớc thải nuôi lợn .......................................................................27 3.2. Khảo sát hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ ở chế ộ giảm dần thời gian lƣu nƣớc ................................................................................................................28 3.2.1. Diễn biến thành phần hữu cơ và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC .......................................................................................................................28
3.2.2. Diễn biến thành phần hữu cơ và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ...................................................................................................................32 3.3. So sánh khả năng xử lí thành phần hữu cơ của hai thiết ị IC và A R .35 3.4. Mối quan hệ giữa tải lƣợng hữu cơ vào với hiệu suất xử lí và năng suất xử lí thành phần hữu cơ ......................................................................................38 3.4.1. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC ............................................................................................................38 3.4.2. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ........................................................................................................39 3.4.3. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC ............................................................................................................41 3.4.4. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ........................................................................................................44 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nước dâng đến hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ..................................................................................47 3.6. Diễn iến của T-N, N-NH 4 theo thời gian ................................................49 3.6.1. Diễn biến của T-N, N- NH 4 của hệ IC theo thời gian ............................49 3.6.2. Diễn biến của T-N, N-NH 4 của hệ ABR theo thời gian .........................51 3.7. Diễn iến của T-P, PO 34 theo thời gian ......................................................53 3.7.1. Diễn biến T-P, PO43- của IC theo thời gian ............................................53 3.7.2. Diễn biến T-P, PO43- của ABR theo thời gian ........................................54 3.8. Khả năng loại ỏ cặn trong nƣớc thải ........................................................56 3.8.1. Khả năng loại bỏ cặn trong nước thải của hệ IC .....................................56 3.8.2. Khả năng loại bỏ cặn trong nước thải của hệ ABR ................................57 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 60 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 63
DANH MỤC ẢNG Bảng 1.1. Đặc tính nước thải sau xử lý trong hầm Biogas ......................................6 Bảng 2.1. Các thông số kĩ thuật của hệ IC ............................................................19 Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật của hệ ABR .......................................................22 Bảng 3.1. Các đặc trưng của nước thải thô ...........................................................27 Bảng 3.2. Các thông số vận hành thí nghiệm của hệ IC .......................................28 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC .........................................................30 Bảng 3.4. Các thông số vận hành thí nghiệm của hệ ABR ...................................32 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR .....................................................34 Bảng 3.6. Tóm tắt kết quả thí nghiệm so sánh khả năng xử lí thành phần hữu cơ của IC và ABR.......................................................................................................36 Bảng 3.7. Tóm tắt kết quả thí nghiệm quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC .................................................................................41 Bảng 3.8. Kết quả mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC ...........................................................................................43 Bảng 3.9. Tóm tắt kết quả thí nghiệm quan hệ giữa tải lượng hữu cơ và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ....................................................................44 Bảng 3.10. Kết quả mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR ......................................................................................46 Bảng 3.11. Thông số vận hành thí nghiệm và kết quả so sánh chế độ nước dâng của ABR ................................................................................................................47 Bảng 3.12. Các giá trị T-N, N-NH 4 của hệ IC ......................................................50 Bảng 3.13. Các giá trị T-N, N-NH 4 của hệ ABR ..................................................51 Bảng 3.14. Các giá trị T-P, PO 34 của hệ IC ...........................................................53 Bảng 3.15. Các giá trị T-P, PO 34 của hệ ABR .......................................................54 DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ sự phát triển của công nghệ yếm khí.............................................7 Hình 1.2. Sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội ................................................................11 Hình 1.3. Cấu hình bể xử lý ABR. ........................................................................14 Hình 2.1. Mô hình hệ IC ........................................................................................18 Hình 2.2. Hình ảnh của hệ IC trong phòng thí nghiệm .........................................19 Hình 2.3. Bộ phân phối bùn ..................................................................................20 Hình 2.4. Bộ tách ba pha khí/lỏng/rắn...................................................................20 Hình 2.5. Mô hình hệ ABR ...................................................................................21 Hình 2.6. Hình ảnh của hệ ABR trong phòng thí nghiệm .....................................22 Hình 2.7. Bơm nước đầu vào.................................................................................23 Hình 2.8. Bồn thu nước đầu ra ..............................................................................23 Hình 3.1. Diễn biến giá trị COD tổng và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của hệ IC khi thay đổi thời gian lưu nước .............................................................29 Hình 3.2. Diễn biến giá trị COD hòa tan và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của hệ IC khi thay đổi thời gian lưu nước .......................................................29 Hình 3.3. Diễn biến giá trị COD tổng và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của hệ ABR khi thay đổi thời gian lưu nước .........................................................33 Hình 3.4. Diễn biến giá trị COD hòa tan và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của hệ ABR khi thay đổi thời gian lưu nước ...................................................33 Hình 3.5. Diễn biến hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của IC và ABR khi thay đổi thời gian lưu nước ...................................................................................36 Hình 3.6. Diễn biến hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của IC và ABR khi thay đổi thời gian lưu nước ...................................................................................37 Hình 3.7. Mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ tổng vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của hệ IC ...................................................................................38 Hình 3.8. Mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ hòa tan vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của hệ IC ..............................................................................38 Hình 3.9. Mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ tổng vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của hệ ABR...............................................................................39
Hình 3.10. Mối quan hệ giữa tải lượng hữu cơ hòa tan vào và hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của hệ ABR ................................................................40 Hình 3.11. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và năng suất xử lí thành phần hữu cơ của hệ IC ...........................................................................................................42 Hình 3.12. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ vào và năng xuất xử lí thành phần hữu cơ của hệ ABR .......................................................................................................45 Hình 3.13. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ tổng vào và năng suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của ABR khi thay đổi tốc độ nước dâng ...........................................47 Hình 3.14. Quan hệ giữa tải lượng hữu cơ hòa tan vào và năng suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của ABR khi thay đổi tốc độ nước dâng ..............................48 Hình 3.15. So sánh hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ tổng của ABR khi thay đổi tốc độ nước dâng ...................................................................................................48 Hình 3.16. So sánh hiệu suất xử lí thành phần hữu cơ hòa tan của ABR khi thay đổi tốc độ nước dâng .............................................................................................49 Hình 3.17. Diễn biến T-N của hệ IC theo thời gian ..............................................50 Hình 3.18. Diễn biến N-NH4+ của hệ IC theo thời gian ........................................51 Hình 3.19. Diễn biến T-N của hệ ABR theo thời gian ..........................................52 Hình 3.20. Diễn biến N-NH 4 của hệ ABR theo thời gian ....................................52 Hình 3.21. Diễn biến T-P của hệ IC theo thời gian ...............................................53 Hình 3.22. Diễn biến PO43- của hệ IC theo thời gian ............................................54 Hình 3.23. Diễn biến T-P của hệ ABR theo thời gian ...........................................55 Hình 3.24. Diễn biến PO43- của hệ ABR theo thời gian ........................................55 Hình 3.25. Diễn biến TSS và khả năng xử lí TSS của hệ IC ................................56 Hình 3.26. Diễn biến TSS và khả năng xử lí TSS của hệ ABR ............................57
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ABR Anaerobic Baffled Reactor Kĩ thuật yếm khí đảo chiều COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học CODt,v COD tổng vào CODt,r COD tổng ra CODht,v COD hòa tan vào CODht,r COD hòa tan ra HRT Thời gian lưu nước EGSB Expanded Granular Sludge Bed Đệm vi sinh dạng hạt giãn nở Q Lưu lượng nước T-N Tổng Nitơ T-P Tổng Phốt pho TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn IC Internal Circulation Kĩ thuật tuần hoàn nội Upflow Anaerobic Sludge Kĩ thuật dòng chảy qua lớp bùn yếm UASB Blanket khí dâng Tốc độ nước dâng
MỞ ĐẦU Chăn nuôi là một trong hai lĩnh vực quan trọng trong nền nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt), nó không những đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùng hàng ngày của mọi người dân trong xã hội mà còn là nguồn thu nhập quan trọng của hàng triệu người dân hiện nay. Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quan trọng đối với nước ta khi có tới hơn 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp [3]. Trong nông nghiệp chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi lợn được coi là thế mạnh của ngành nông nghiệp vì cùng với sự gia tăng dân số, gia tăng các nhu cầu về lương thực, thực phẩm, ngành chăn nuôi càng được đầu tư phát triển mạnh. Trước đây, chúng ta chỉ có chăn nuôi nhỏ lẻ tại các hộ gia đình. Hiện nay, trong bối cảnh thức ăn chăn nuôi, vật tư chăn nuôi đều tăng, cùng với đó là sức cạnh tranh, vấn đề kiểm soát dịch bệnh nên việc chăn nuôi trong các hộ gia đình có xu hướng giảm trong khi chăn nuôi gia trại, trang trại tăng nhanh và tạo được khả năng cạnh tranh trên thị trường. Theo kết quả điều tra 1/10/2013 của Tổng cục Thống kê, cả nước hiện có 26,3 triệu con lợn bằng 99,1%; đàn lợn nái có 3,9 triệu con bằng 98% so với cùng kỳ năm trước. Sản lượng thịt hơi xuất chuồng đạt 3,3 triệu tấn tăng 2,1% so với cùng kỳ năm trước. Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp tích cực cho sự phát triển kinh tế - xã hội, việc phát triển chăn nuôi lợn đã để lại những tác động tiêu cực đến môi trường: làm ô nhiễm môi trường đất, chất lượng nước và không khí xung quanh các khu vực nuôi lợn. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi lợn: phân, nước tiểu và nước rửa chuồng trại. Sản lượng thịt lợn cung cấp ra thị trường ngày càng tăng tỷ lệ thuận với lượng chất thải ra môi trường. Theo báo cáo tổng kết của Viện chăn nuôi [2], hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần, tổng số vi sinh vật và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần, ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa COD, TN, TP... cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép [1]. Vì vậy, 1
chất thải chăn nuôi nhất thiết phải được xử lí trước khi xả thải ra môi trường. Việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp và hiệu quả đối với nước thải giàu hữu cơ nói chung và nước thải chăn nuôi lợn nói riêng là rất quan trọng và đang là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải giàu hữu cơ này, trong đó phương pháp sinh học được cho là biện pháp xử lí hiệu quả, thân thiện với môi trường. Một số biện pháp xử lí sinh học như: xử lý chất thải lỏng bằng biogas, lọc sinh học, kĩ thuật dòng chảy qua lớp bùn yếm khí (UASB) và các biến thể của công nghệ này như EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt giãn nở), IC (Internal Circulation – kĩ thuật tuần hoàn nội)… Trong các công nghệ trên thì nổi trội hơn cả là kỹ thuật IC với những ưu điểm : Chấp nhận tải lượng ô nhiễm cao, hiệu suất xử lí tốt, cấu tạo đơn giản, năng lượng tiêu hao thấp, lượng bùn sinh ra nhỏ, chất lượng nước ra tốt (TSS thấp). Chính vì thế kĩ thuật IC càng ngày càng được nghiên cứu để hoàn thiện và áp dụng vào các nhà máy xử lý nước thải trên thế giới và trong nước. Tuy nhiên kỹ thuật IC có nhược điểm là có chiều cao cột phản ứng rất lớn nên khó khăn cho việc chế tạo và vận hành. Để có thể khắc phục nhược điểm trên, dạng cải tiến của kĩ thuật tuần hoàn nội theo kiểu vách ngăn đảo chiều gọi tắt là ABR (ABR-Anaerobic Baffled Reactor) đã ra đời với thiết kế chia nhỏ cột IC thành nhiều cột phản ứng có chiều cao thấp hơn và mắc nối tiếp với nhau nên đã giảm thiểu khó khăn trong quá trình xây dựng mà vẫn đảm bảo tải xử lý cao. Vì vậy trong luận văn này đề tài “Nghiên cứu phát triển kĩ thuật yếm khí cao tải xử lí nƣớc thải giàu hữu cơ” được đưa ra với mục tiêu đánh giá được khả năng xử lí thành phần hữu cơ có trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hai công nghệ xử lí yếm khí là kĩ thuật tuần hoàn nội (IC) và dạng cải tiến của kĩ thuật yếm khí theo kiểu vách ngăn đảo chiều (ABR). Trên cơ sở đó xác định được mối quan hệ giữa tải lượng và năng suất xử lí để phục vụ cho thiết kế trong thực tế sau này. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc thải chăn nuôi 1.1.1. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và vi sinh vật gây bệnh. Nước thải chăn nuôi nhất thiết phải được xử lí trước khi đưa ra ngoài môi trường. Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy đặc điểm của nước thải chăn nuôi chứa: - Các chất hữu cơ: hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% bao gồm: protit, axit amin, chất béo, cacbohidrat và các dẫn xuất của chúng, hầu hết là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Các chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, ure, muối amoni, muối clorua, muối sunfat… - N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rất cao. Hàm lượng N-tổng khoảng 200 – 350 mg/l, trong đó N-NH 4 chiếm khoảng 80-90%, P- tổng khoảng 40-80mg/l. - Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải công nghiệp nhưng chứa nhiều loại vi trùng, virut và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh như: salmonella typhi gây bệnh thương hàn, shigella gây bệnh lỵ, vibrio cholerae gây bệnh tả, escherichia coli gây bệnh viêm dạ dày, hepatite A gây bệnh viêm gan, giardia lamblia gây bệnh tiêu chảy… Nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm cho gia súc tạo nên khối lượng nước thải rất lớn. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi phụ thuộc vào lượng thức ăn rơi vãi, mức độ thu gom phân, phương thức thu gom chất thải trong chuồng trại hay lượng nước sử dụng khi vệ sinh chuồng trại và tắm rửa gia súc. 3
Như vậy nước thải chăn nuôi là một trong những loại nước thải có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và các sinh vật gây bệnh cao. Vì vậy nước thải chăn nuôi nhất thiết cần phải được xử lí trước khi thải ra môi trường. 1.1.2. Hiện trạng chất thải chăn nuôi tại Việt Nam và một số phương pháp xử lí nước thải chăn nuôi a. Hiện trạng chất thải chăn nuôi tại Việt nam Theo báo cáo của Cục chăn nuôi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT) mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng. Tính đến năm 2013 cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình, 18.000 trang trại chăn nuôi tập trung, nhưng mới chỉ có 8,7% số hộ xây dựng công trình khí sinh học (hầm biogas). Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũng chỉ chiếm 10% và chỉ có 0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường. Vẫn còn khoảng 23% số hộ chăn nuôi không xử lý chất thải bằng bất kỳ phương pháp nào mà xả thẳng ra môi trường bên ngoài gây sức ép đến môi trường bởi vì chất thải chăn nuôi tác động trực tiếp đến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã cảnh báo, nếu không có biện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô hấp, tiêu hóa do trong chất thải chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch bệnh như: lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người. Theo dự báo của ngành Tài nguyên và Môi trường (TN&MT), với tốc độ phát triển mạnh của ngành Chăn nuôi như hiện nay dự tính đến năm 2020, lượng chất thải rắn trong chăn nuôi phát sinh khoảng gần 1.212.000 tấn/năm, tăng 14,05% so 4
với năm 2010. Để phát triển bền vững và đảm bảo môi trường tại các trang trại, gia trại, các địa phương cần quan tâm hơn nữa đến việc tạo điều kiện, hỗ trợ các hộ chăn nuôi quy mô lớn đầu tư xây dựng mô hình xử lý chất thải theo công nghệ hiện đại. Ngành TN&MT chủ động phối hợp với ngành NN&PTNT tăng cường kiểm tra, xử lý, đình chỉ sản xuất đối với các trang trại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đôn đốc các trang trại gây ô nhiễm môi trường, thực hiện các biện pháp xử lý triệt để tình trạng ô nhiễm, yêu cầu các trang trại phải có đầy đủ công trình, biện pháp bảo vệ môi trường đáp ứng yêu cầu về xử lý ô nhiễm, khẩn trương quy hoạch vùng chăn nuôi cho từng loại vật nuôi, từng bước hạn chế, không cho phép chăn nuôi gia trại, chăn nuôi quy mô nhỏ trong khu dân cư, triển khai ứng dụng mô hình xử lý nước thải sau bể biogas, làm cơ sở hướng dẫn, nhân rộng áp dụng cho các trang trại chăn nuôi. b. Một số phương pháp xử lí nước thải chăn nuôi  Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp cơ học và hóa lý.  Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kỵ khí như: bể biogas, hồ kị khí, quá trình lọc sinh học kị khí, hệ thống UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - kĩ thuật dòng chảy qua lớp bùn yếm khí), EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt giãn nở)…  Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học hiếu khí như: lọc sinh học hiếu khí, hồ sinh học...  Sử dụng thực vật thủy sinh: thủy thực vật sống chìm, thủy thực vật sống trôi nổi, thủy thực vật sống nổi... Ở nước ta phương pháp chủ yếu được áp dụng để xử lý chất thải chăn nuôi là bể khí sinh học (biogas). Đây là loại bể thích hợp và đang được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải chăn nuôi lợn ở các vùng nông thôn ở Việt Nam và trên thế giới. Ưu điểm: giảm mùi hôi, ruồi nhặng và ký sinh trùng, thu khí sinh học làm năng lượng đốt, sử dụng các chất thải và phụ phẩm trong nông nghiệp, tạo ra lượng phân bón phục vụ cho nông nghiệp. Nhược điểm: tuổi thọ bể ngắn, hiệu quả xử lý BOD thấp, dễ cháy nổ. 5
ảng 1.1. Đặc tính nước thải sau xử lý trong hầm iogas TT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị QCVN 40/2011/BTNMT (B) 1 pH - 7,2-7,6 5,5-9 2 TSS mg/l 1.000 100 3 COD mg/l 2.500 150 4 BOD5 mg/l 1.800 50 5 Tổng N mg/l 400 40 6 Tổng P mg/l 50 6 Nguồn: Đặng Kim Chi, Viện môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội 2012 1.2. Tổng quan về kĩ thuật xử lý yếm khí 1.2.1. Lịch sử phát triển của kĩ thuật xử lý yếm khí Lịch sử của quá trình yếm khí – phát hiện ra biogas bắt đầu từ rất lâu nhưng ghi nhận về việc sử dụng quá trình yếm khí để xử lí chất thải sinh hoạt và chăn nuôi đầu tiên thì có thể coi là phát minh của Louis Mouras (Pháp) từ cuối thế kỉ 19 về bể chứa phân kín, của Đức từ 1907 về bể Imhoff. Về các kĩ thuật xử lí yếm khí ban đầu chúng rất đơn giản cả về cấu tạo lẫn vận hành nên thường gặp thuật ngữ bể (bồn) phân hủy, khi có nhiều yếu tố thiết kế hơn chúng được gọi là bồn phản ứng. Đối với những hệ cổ điển thuật ngữ phân hủy thường gặp hơn, nó được thường được sử dụng cho các công trình xử lí cổ điển, áp dụng để phân hủy phân, bùn cặn, thậm chí chất thải rắn. Từ sau năm 1970 nó mới được quan tâm sử dụng như phương tiện xử lý nước thải. Vì trước đây theo Theo Lettinga [15] do tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp, một thời gian dài người ta đã quan niệm “oan” về hệ yếm khí là chúng chậm, năng suất kém hệ hiếu khí, tuy nhiên với những kĩ thuật yếm khí hiện đại, những yếu điểm này đã dần được khắc phục. Kĩ thuật yếm khí hiện đại bắt đầu từ bồn khuấy trộn liên tục, tiến bộ hơn là bồn tiếp xúc (thêm hệ lắng-tuần hoàn bùn), bước ngoặt là kĩ thuật UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) với lớp vi sinh dạng hạt, đỉnh cao là các kĩ thuật tiếp xúc và tách vi sinh tốt, đó là EGSB (Expanded Granular Sludge Bed), IC (Internal Circulation)... Do khả năng xử lí rất hiệu quả, công nghệ xử lí yếm khí với lớp bùn vi sinh dạng hạt tiếp tục được các 6
nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu và hoàn thiện hơn với những kỹ thuật mới được ra đời. Biến thể của công nghệ UASB bắt đầu được ra đời với các kỹ thuật mới như EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương nở), IC (Internal Circulation - kĩ thuật tuần hoàn nội), các kĩ thuật này thực sự trở thành một trong những công nghệ xử lí tốc độ cao (“high – rate”). Hơn thế nữa, do các kĩ thuật này sử dụng quá trình yếm khí có khả năng chuyển hóa chất thải thành biogas – có ý nghĩa về năng lượng tái tạo. Năng suất tương đối: 1 5 25 75 Hình 1.1. Sơ đồ sự phát triển của công nghệ yếm khí Theo các báo cáo của trường phái Lettinga khi xem xét sự tiến hóa của kĩ thuật xử lý yếm khí theo hướng các công nghệ năng suất tăng cao dần, nếu lấy xuất phát điểm là (1) bồn phản ứng khuấy trộn đều, tiến dần lên (2) kỹ thuật phản ứng tiếp xúc (có lắng – tuần hoàn bùn), (3) kỹ thuật UASB, (4) kỹ thuật IC, nếu năng suất xử lý tính bằng kgCOD/1m3 thể tích phản ứng trong 1 ngày thì đại lượng này gần như tăng theo quy luật: cứ phát triển lên mỗi bậc thì năng suất xử lí tăng khoảng 3-5 lần (tỷ lệ: 1:5:25:75), điều này đồng nghĩa với thể tích bồn phản ứng và diện tích chiếm chỗ giảm số lần tương ứng. Hệ phản ứng có năng suất càng cao thì thể tích thiết bị, diện tích chiếm chỗ càng nhỏ nên được các nhà máy công nghiệp rất ưa chuộng, vì thế từ những năm 1990 đến nay số lượng các hệ xử lý yếm khí cao tải tăng theo hàm mũ. 1.2.2. Ưu, nhược điểm của kĩ thuật vi sinh yếm khí so với kĩ thuật vi sinh hiếu khí * So với các quá trình hiếu khí, yếm khí có các ưu thế sau: - Hiệu suất tạo sinh khối yếm khí nhỏ hơn nhiều so với hiếu khí, điều này làm giảm chi phí xử lí bùn dư. 7
- Không có chi phí oxy, điều này sẽ làm giảm chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí (máy nén, hệ phân tán, chi phí điện năng). - Khí metan sinh ra có giá trị nhiệt năng lớn, có thể thay thế khí đốt. - Các quá trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao hơn nhiều so với hiếu khí, đó là vì không có cản trở do yêu cầu khuếch tán oxy. * Các nhược điểm của quá trình yếm khí: - Cần năng lượng để nâng nhiệt độ tới vùng hoạt độ vi khuẩn tối ưu (thường là 35°C). Tuy nhiên có thể sử dụng metan tạo thành đốt để cấp nhiệt trở lại cho hệ xử lí. - Khó đạt được hiệu suất xử lí cao như quá trình hiếu khí. - Xử lí yếm khí sinh ra H2S và các hợp chất gây mùi khác nên không được coi là phương tiện xử lý nước cấp hai (nước thải sau xử lý có thể xả vào môi trường). - Bùn yếm khí khó lắng hơn bùn hiếu khí, vì vậy nếu áp dụng kĩ thuật lắng thì chi phí sẽ cao hơn. - Xử lí yếm khí sinh ra amôni, photphat nên không phải là phương tiện xử lí N, P. 1.2.3. ác quá tr nh vi sinh trong đi u kiện yếm khí Vi sinh thường được phân loại theo điều kiện môi trường xảy ra các quá trình trao đổi chất của chúng. Theo đó vi sinh được phân thành: - Hiếu khí: chỉ hoạt động được trong môi trường có oxy phân tử. - Yếm khí: chỉ hoạt động trong môi trường không có oxy phân tử. - Yếm khí tuỳ nghi: hoạt động được trong môi trường có hoặc không có oxy. - Yếm khí không điều kiện: sự có mặt của oxi không gây ảnh hưởng đến hoạt động của chúng. Trong luận văn này tập trung vào các kĩ thuật vi sinh yếm khí nên đối tượng xem xét sẽ là các loại vi khuẩn yếm khí. Trong hệ yếm khí các vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ theo bốn giai đoạn sau: a. Thủy phân Thủy phân là bước đầu tiên trong các quá trình phân hủy yếm khí. Trong bước này, các hợp chất hữu cơ phức tạp như cacbohidrat, protein và lipit bị thủy phân 8
thành các phân tử hữu cơ hòa tan trong nước như đường, amino axit và các axit béo bởi các enzim như cellulase, amylase, protease hay lipase [17]. Vi khuẩn thủy phân là các vi khuẩn yếm khí. Quá trình thủy phân có thể là bước quyết định tốc độ phản ứng nếu chất nền chứa các phân tử lớn hoặc các hạt có tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn [23]. Trong khi đó nếu các chất dễ phân hủy thì bước xác định tốc độ phản ứng là axetat và metan hóa [6]. Sau khi các tiền chất được thủy phân, giai đoạn tiếp theo là chuyển chất đến tế bào và phân hủy bằng các vi khuẩn lên men trong giai đoạn axit hóa. b. Axit hóa Trong giai đoạn axit hóa, các phân tử hữu cơ hòa tan sẽ được vi khuẩn lên men hoặc oxi hóa yếm khí [9]. Các vi khuẩn này có thể là các vi khuẩn bắt buộc hoặc tùy nghi. Trong hệ thống yếm khí ổn định, quá trình phân hủy chính cho sản phẩm là axetat, cacbon dioxit và hydro. Các hợp chất trung gian, như là các axit béo, ancol không có nhiều. Hướng phân hủy này có hiệu suất tạo năng lượng cao hơn cho vi khuẩn và sản phẩm của quá trình có thể được sử dụng trực tiếp bởi các vi khuẩn metan hóa [20]. Tuy nhiên, khi nồng độ hydro và format cao, các vi khuẩn lên men sẽ thay đổi hướng để tạo các chất chuyển hóa dễ bị khử hơn [4]. Các sản phẩm từ bước axit hóa bao gồm khoảng 51 % axetat, 19 % H2,CO2, và 30% các sản phẩm có tính khử, chẳng hạn như ancol hoặc lactat [4]. Bước axit hóa thường được coi là bước nhanh nhất trong phân hủy yếm khí các chất hữu cơ phức tạp[23]. c. Axetat hóa Các chất trung gian được tạo thành trong gian đoạn axit hóa, bao gồm axit béo chứa hơn hai nguyên tử carbon, ancol có hơn một nguyên tử cacbon và các axit béo thơm phân nhánh. Những sản phẩm này không sử dụng được trực tiếp trong metan hóa và cần tiếp tục bị oxi hóa thành axetat và H2 trong bước axetat hóa bằng vi khuẩn khử proton kết hợp với nguồn sử dụng hidro. Áp suất riêng phần H2 thấp là điều kiện thuận lợi cho phản ứng [20]. Các sản phẩm từ axetat hóa trở thành các chất nền cho các bước cuối cùng của xử lý hóa kỵ khí, được gọi là quá trình metan hóa. 9
d. Metan hóa Trong bước metan hóa, axetat và H2/CO2 được chuyển thành CH4 và CO2 bởi vi khuẩn archaea. Loại vi khuẩn này có thể phát triển trực tiếp trên axetat, H2/CO2 và các hợp chất chứa một cacbon khác, chẳng hạn như format và metanol [20]. Trong thiết bị yếm khí thông thường, axetat là tiền chất để tạo khoảng 70 % metan, 30 % còn lại là từ H2/CO2. [11]. Hơn nữa, chuyển hóa qua lại giữa hiđro và axetat được xúc tác bởi các vi khuẩn axetat hóa đồng thể, cũng đóng một vai trò quan trọng trong hướng hình thành metan. Các vi khuẩn này có thể oxi hóa hoặc tổng hợp axetat tùy thuộc vào nồng độ hiđro trong hệ [12]. Quá trình metan hóa hiđro hoạt động tốt hơn ở áp suất riêng phần cao, trong khi quá trình metan hóa trên axit axetic không phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hiđro. Ở nhiệt độ cao hơn, hướng oxi hóa axetat thuận lợi hơn [20]. Sự tạo thành metan từ quá trình oxi hóa axetat có thể đóng góp tới 14% tổng chuyển hóa axetat thành metan trong điều kiện nhiệt độ 60°C [18]. 1.3. Kĩ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation – IC) Kỹ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation, IC) được hãng Paques nghiên cứu phát triển [24]. Hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc của hai hệ thống UASB xếp chồng lên nhau, trong đó hệ UASB thuộc loại cao tải (áp dụng tải lượng hữu cơ cao) đặt ở phía dưới và hệ UASB có mức chịu tải thấp hơn đặt ở phía trên. Khí tách ra từ bộ phận tách pha phía dưới được thu lại, chuyển động lên phía trên vào khoang thu khí qua đường ống dẫn lên. Khi dòng khí chuyển động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng phân hủy cao tải. Sau khi tách khí, nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản ứng, xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua đường ống dẫn xuống. Dòng nước và vi sinh quay ngược lại vùng phản ứng cao tải là tính chất đặc trưng của kỹ thuật IC và vì vậy có tên là tuần hoàn nội. 10
Hình 1.2. Sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội Hệ xử lý tuần hoàn nội thường có chiều cao 19,7 m hoặc 23,7 m có hình trụ với kết cấu thép. Đường kính nằm trong khoảng 2,3  10,5 m. Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính nằm trong khoảng giá trị 2,3  8. Thành phần cấu tạo cơ bản của hệ xử lý IC gồm hệ phân bố nước đầu vào, hệ tuần hoàn nội, vùng phản ứng cao tải ở phía dưới và vùng phản ứng tải lượng thấp (làm sạch sâu) nằm ở phía trên. Ngoài bộ phận tuần hoàn nội, hệ xử lý IC thường có thêm bộ phận tuần hoàn ngoại vi (đặt ở bên ngoài thiết bị xử lý) là bể điều hòa với mục đích tích trữ nguồn nước cho bơm đầu vào hòa trộn với dòng nước hồi lưu hoặc các hóa chất cần sử dụng. Dòng nước vào được phân phối tại đáy bể, hòa trộn với các dòng tuần hoàn (nước, bùn) tạo thành dòng chảy có tốc độ lớn dọc theo suốt chiều cao của vùng phản ứng bên dưới. Cấu trúc của bộ phận phân phối dòng vào có dạng hình nón, dòng tuần hoàn nội hướng từ trên xuống vào vị trí chóp nón theo phương tiếp tuyến, tạo thành dòng 11