Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ của hệ phản ứng màng sinh học cố định (FBR) quy mô phòng thí nghiệm (12L/ngày đêm) và định hướng sử dụng các kết quả để mô phỏng tối ưu hóa quá trình xây dựng hệ thống qui mô bản thực nghiệm (pilot) trên thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Đức Tú NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ PHẢN ỨNG SINH HỌC MÀNG CỐ ĐỊNH (FBR) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Đức Tú NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ PHẢN ỨNG SINH HỌC MÀNG CỐ ĐỊNH (FBR) Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 8520320.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thị Hà TS. Ngô Vân Anh Hà Nội – Năm 2020
MỤC LỤC 1. Tính cấp thiết .......................................................................................................7 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................7 3. Nội dung nghiên cứu............................................................................................8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................9 1.1. Nguồn phát sinh và tính chất của nƣớc thải chăn nuôi lợn...............................9 1.1.1. Các chất vô cơ và hữu cơ ...........................................................................9 1.1.2. Nitơ và phốt pho .........................................................................................9 1.1.3. Vi sinh vật gây bệnh ...................................................................................9 1.1.4. Ảnh hƣởng của nƣớc thải chăn nuôi đến môi trƣờng và con ngƣời.........14 1.2. Các công nghệ xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam và thế giới .......15 1.2.1. Nƣớc ngoài ...............................................................................................21 1.2.2. Việt Nam ..................................................................................................22 1.3. Tổng quan về hệ xử lý nƣớc thải màng sinh học cố định ...............................25 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................27 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu .....................................................................................27 2.1.1. Nƣớc thải chăn nuôi lợn ...........................................................................27 2.1.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ...........................................27 2.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................27 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................27 2.3.1. Phƣơng pháp điều tra thực tế lấy mẫu nƣớc thải ......................................27 2.3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thiết kế hệ FBR để xử lý thành phần hữu cơ...33 2.3.3. Phƣơng pháp phân tích xác định thành phần xử lý nƣớc thải ..................43 2.3.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu ........................................................................43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................44 3.1. Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn tại các cơ sở nghiên cứu .....................44 1
3.2. Kết quả xử lý của hệ thí nghiệm FBR ............................................................46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................54 KẾT LUẬN ...............................................................................................................54 PHỤ LỤC 1 ...............................................................................................................55 PHỤ LỤC 2 ...............................................................................................................56 PHỤ LỤC 3 ...............................................................................................................61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần và mức độ ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi lợn ở các trang trại ...........................................................................................................11 Bảng 1.2. Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn pha loãng ......................................13 Bảng 1.3: Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi tại Trung Quốc ..........................................13 Bảng 2.1: Thông tin về các cơ sở chăn nuôi điều tra khảo sát ..................................28 Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật và thiết bị chính của hệ thống thiết bị thí nghiệm FBR 12L/ngày ...........................................................................................................35 Bảng 2.3: Các chỉ tiêu phân tích thành phần hữu cơ nƣớc thải chăn nuôi ................43 Bảng 3.1: Bảng so sánh hiệu suất thay đổi theo tải trọng đầu vào từng tháng .........47 Bảng 3.2: Hiệu suất xử lý phốt pho khi tăng tải trọng ..............................................49 Bảng 3.3: Hiệu quả xử lý BOD5 theo tải trọng COD ................................................51 Bảng 3.4: Hiệu suất xử lý TSS khi tăng tải trọng COD ............................................52 Bảng 3.5: Hiệu suất xử lý TVS khi tăng tải trọng COD ...........................................52 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Qui trình đề xuất tổng thể xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn ........................16 Hình 1.2: Sơ đồ mô tả mẫu bể khí sinh học compostie (nguồn gốc Trung Quốc)...19 Hình 1.3: Sơ đồ xử lý nƣớc thải chăn nuôi quy mô hộ gia đình ..............................24 Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nƣớc thải chăn nuôi ở trang trại quy mô lớn ........................25 Hình 2.1: So sánh kết quả thành phần hữu cơ của các cơ sở (ĐVT: mg/L) ............31 Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ xử lý FBR phòng thí nghiệm........................................33 Hình 2.3: Hình ảnh thực tế hệ công nghệ xử lý FBR phòng thí nghiệm .................34 Hình 2.4: Sơ đồ thiết kế bể phản ứng lên men yếm khí (mặt đứng) ........................37 Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế bể phản ứng lên men yếm khí (mặt bằng) ........................38 Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế bể lắng (mặt đứng) ............................................................39 Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế bể lắng (mặt đứng) ............................................................40 Hình 2.8: Hình ảnh của bơm định lƣợng..................................................................41 Hình 2.9: Sơ đồ công nghệ FBR quy mô phòng thí nghiệm ....................................41 Hình 2.10: Chế độ tải trọng COD chạy hệ thí nghiệm (gCOD/L.ngày) ..................42 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn tại trang trại hộ Đỗ Văn Trƣờng .......................................................................................................................44 Hình 3.2: Bể biogas và túi ủ biogas của Công Ty TNHH MTV Sản xuất và Thƣơng mại Phát Đạt ..............................................................................................................46 Hình 3.3: Biến thiên COD theo tải trọng đầu vào ....................................................47 Hình 3.4: Biến thiên thông số tổng nitơ theo tải trọng đầu vào ...............................49 Hình 3.5: Biến thiên thông số tổng phốt pho theo tải trọng đầu vào .......................50 Hình 3.6: Biến thiên thông số BOD5 theo tải trọng đầu vào ....................................51 Hình 3.7: Biến thiên thông số TSS theo tải trọng đầu vào.......................................52 Hình 3.8: Biến thiên thông số TVS theo tải trọng đầu vào ......................................53 4
DANH MỤC VIẾT TẮT BOD: Nhu cầu oxy sinh học BNNPTNT: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn BTNMT: Bộ Tài nguyên môi trƣờng COD: Nhu cầu oxy hoá học ĐVT: Đơn vị tính FBR: Hệ phản ứng sinh học màng cố định HYPHI: Hệ thống chảy nút KH&CN: Khoa học và công nghệ PVC: Poly Vinyl Clorua QCVN: Quy chuẩn Việt Nam SBR: Hệ xử lý tuần tự theo mẻ TSS: Tổng chất rắn lơ lửng TVS: Tổng chất rắn dễ bay hơi UASB: Bể lọc ngƣợc qua tầng bùn kị khí 5
LỜI CẢM ƠN Với tình cảm và lòng biết ơn chân thành, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến: - Quý Thầy/Cô Khoa Môi trƣờng đã cung cấp cho tôi phƣơng pháp nghiên cứu, kiến thức chuyên môn trong suốt khóa học và kỹ năng nghiên cứu sáng tạo, chủ động. - Nhóm nghiên cứu thực hiện Nhiệm vụ NĐT 31.JPA/17, các thầy cô, NCS Nguyễn Trƣờng Quân và các bạn sinh viên đã hỗ trợ thực hiện. - Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến cô giáo hƣớng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Thị Hà và TS. Ngô Vân Anh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. - Đặc biệt, tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến những ngƣời đã sinh thành và nuôi dạy tôi trƣởng thành, những ngƣời thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Dù đã có cố gắng rất nhiều trong thời gian nghiên cứu nhƣng bản luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong đƣợc nhận những ý kiến đóng góp quý báu của Quý Thầy/Cô và các bạn để bản luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn. Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Phạm Đức Tú 6
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Nƣớc thải chăn nuôi lợn chứa nhiều hợp chất hữu cơ, vi trùng, trứng giun sán... nguồn nƣớc này nếu xả thải không qua xử lý có nguy cơ gây ô nhiễm tầng nƣớc ngầm, nƣớc mặt và nguyên nhân trực tiếp cho phát sinh dịch bệnh. Nƣớc thải chứa nhiều mầm bệnh nhƣ: Leptospira, Samonella. Mặt khác còn sản sinh ra nhiều loại khí do hoạt động của vi sinh vật nhƣ NH3, CH4, H2S gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống con ngƣời và sinh thái. Hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR) có chế độ hoạt động liên tục, xử lý chất bẩn hữu cơ trong nƣớc thải bằng vi sinh vật yếm khí bám dính trên các giá thể lắp cố định bên trong hệ. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Hệ FBR là công nghệ mới hiện đại đã đƣợc sử dụng rộng rãi bởi tính hiệu quả của nó. FBR là hệ thống xử lý sinh học nhân tạo, các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học đƣợc vi sinh vật yếm khí sử dụng nhƣ một chất dinh dƣỡng để sinh trƣởng và phát triển. Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng gia tăng và nồng độ ô nhiễm của nƣớc thải giảm xuống. Các giá thể vi sinh cố định giúp quá trình khử các hợp chất hữu cơ diễn ra nhanh và hiệu quả hơn nhờ tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của giá thể. Mặt khác hệ FBR có chế độ vận hành khá đơn giản và an toàn, thích hợp với xử lý nƣớc thải chăn nuôi có nồng độ các chất hữu cơ, N, P cao. Với những ƣu điểm nhƣ trên, việc nghiên cứu hệ phản ứng sinh học màng cố định FBR để xử lý nƣớc thải chăn nuôi là rất cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đánh giá đƣợc nguồn thải và đặc tính thành phần hữu cơ của nƣớc thải chăn nuôi lợn của các cơ sở lựa chọn. Đánh giá đƣợc khả năng xử lý thành phần hữu cơ của hệ phản ứng màng sinh học cố định (FBR) quy mô phòng thí nghiệm (12L/ngày đêm) và định hƣớng sử dụng các kết quả để mô phỏng tối ƣu hóa quá trình xây dựng hệ thống qui mô bản thực nghiệm (pilot) trên thực tế. 7
3. Nội dung nghiên cứu 3.1. Tổng quan về nguồn phát sinh đặc tính, thành phần hữu cơ trong nƣớc thải chăn nuôi và biện pháp xử lý. 3.2. Điều tra, khảo sát lấy mẫu và đánh giá các dòng thải và mức độ ô nhiễm thành phần hữu cơ trong nƣớc thải chăn nuôi lợn của các cở sở lựa chọn. 3.3. Nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ (theo thông số COD, BOD5) của hệ FBR quy mô phòng thí nghiệm (12L/ngày đêm). 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Nguồn phát sinh và tính chất của nƣớc thải chăn nuôi lợn Nƣớc thải chăn nuôi là một trong những loại nƣớc thải rất đặc trƣng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tuổi vật nuôi, chế độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách thức quản lý, xử lý chất thải, ... Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi bị ảnh hƣởng nhiều nhất do pha loãng, lƣu trữ và cách tách loại rắn lỏng và có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng rất cao bằng hàm lƣợng chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, phốt pho và sinh vật gây bệnh. Trong các loài vật nuôi nhƣ lợn, bò và gia cầm thì nƣớc thải chăn nuôi lợn có khả năng gây ô nhiễm cao nhất (Phùng Đức Tiến và cs (2009); Trịnh Quang Tuyên và cs (2010)). Để chọn ra đƣợc một quy trình xử lý nƣớc thải cho một cơ sở chăn nuôi phụ thuộc rất nhiều vào thành phần tính chất nƣớc thải, bao gồm: 1.1.1. Các chất vô cơ và hữu cơ Trong nƣớc thải chăn nuôi thành phần chất hữu cơ chiếm tỉ lệ lớn (70–80%) gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa. Các chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-, … và hầu hết các chất hữu cơ đều là chất dễ phân hủy. 1.1.2. Nitơ và phốt pho Hầu hết các loài gia súc và gia cầm hấp thụ khá kém nitơ và phốt pho nên khi ăn thức ăn có chứa nitơ và phốt pho thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nƣớc tiểu ngay. Vì thế trong nƣớc thải chăn nuôi lợn thƣờng chứa hàm lƣợng nitơ và phốt pho rất cao. Trong môi trƣờng nƣớc thải hợp chất phốt pho tồn tại ở các dạng: phốt pho hữu cơ, phôtphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nƣớc, polyphotphat hay còn gọi là phôtphat ngƣng tụ, muối phôtphat và phốt pho trong tế bào sinh khối. Trong khi đó theo thời gian và sự có mặt của oxy mà hợp chất nitơ trong nƣớc thải tồn tại ở các dạng khác nhau NH4+, NO2-, NO3- và N hữu cơ. 1.1.3. Vi sinh vật gây bệnh Nƣớc thải chăn nuôi có chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun 9
sán gây bệnh cho con ngƣời. Số lƣợng vi khuẩn, virut gây bệnh trong nƣớc thải chăn nuôi đƣợc tìm thấy rất lớn và nhiều chủng loại. Ví dụ nhƣ các loại vi khuẩn nhƣ: E coli, Streptococcus, Salmonella, Shigenla, Proteus, Clostridium …đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thƣơng hàn, kiết lỵ. Thêm vào đó là các loại virus có thể tìm thấy nhƣ: corona, poio, aphto…và ký sinh trùng trong nƣớc gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh trùng. Chúng dễ dàng đi vào nguồn nƣớc qua phân và nƣớc tiểu của vật nuôi. Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nƣớc thải chăn nuôi, kết quả khảo sát của Viện KH&CN Môi trƣờng, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (2009) cho thấy, giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong nƣớc thải chăn nuôi lợn rất cao, với các giá trị tƣơng ứng là 2500 – 12120 mgO2/L, 185 – 4539, 28 - 831, 190 – 5830 mg/L và 4x104 - 108 MPN/100 mL. Một kết quả khác về chất lƣợng nƣớc thải tại trang trại Hòa Bình Xanh (xã Hợp Hòa, huyện Lƣơng Sơn, tỉnh Hòa Bình) với khoảng 3000 đầu lợn cũng cho thấy các thông số ô nhiễm nhƣ COD, NH4+, TP và SS tƣơng ứng lần lƣợt là 5630 ± 1032, 544 ± 57, 60 ± 18 và 4904 ± 901 mg/L (Cao Thế Hà và cs, 2015). Các giá trị ô nhiễm này đều không đạt tiêu chuẩn Ngành về vệ sinh nƣớc thải chăn nuôi 10 TCN 678:2006 và vƣợt gấp nhiều lần tiêu chuẩn khắt khe hơn là Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nƣớc thải chăn nuôi gia súc (QCVN 01-79: 2011/BNNPTNT và QCVN 62-MT :2016/BTNMT). Theo kết quả khảo sát tại 05 địa phƣơng là Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hƣng Yên, Thái Bình và Hòa Bình với 20 trang trại (Trần Văn Tựa và cs (2015)), đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn ở 3 công đoạn tại các trang trại điều tra có thành phần và mức độ ô nhiễm nhƣ tổng kết ở bảng 1.1. 10
Bảng 0.1. Thành phần và mức độ ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi lợn ở các trang trại Trƣớc biogas Sau biogas Ao sinh học Thông số Thấp- TB Thấp- Cao TB TB Thấp- Cao Cao pH 7,56 7,30-7,87 7,76 7,19-7,90 7,59 7,50-7,80 T0 (0C) 30,4 29-32 30,4 28,2-32,6 30,6 29,6-33,0 DO (mg/L) - - 0,08 0-0,60 3,83 1,20-6,39 COD (mg/L) 3587 860-4590 800 391-1792 161 104-4150 T-N (mg/L) 343,16 167-907 307,13 115-531 55,92 10-270 N-NH4+ 315,00 130- 870 289,38 110-506 54,00 10- 274 (mg/L) T-P 92,17 250-295 62,13 19-127 29,00 10-48 (mg/L) SS 2247 520-9520 1431 360-3280 175 150-350 (mg/L) Tổng Coliform 372.104 226.104 206.104 (MPN/100ml) E coli 169.104 135.104 135.104 (MPN/100ml) 11
Trƣớc biogas lƣợng COD, TN, TP trong nƣớc thải rất cao với các số liệu tƣơng ứng là 3587; 343 và 92 mg/L. Sau khi đƣợc xử lý kỵ khí bàng hầm biogas các thông số trên giảm còn 800; 307 và 62 mg/L. Tại các ao sinh học các số liệu nhận đƣợc cũng còn khá cao: 161 mg/L COD; 55 mg/L- TN và 12 mg/L- TP. Lƣợng ôxy hòa tan trong nƣớc thải trƣớc biogas hầu nhƣ không có, sau xử lý biogas cũng không đáng kể và tại ao sinh học cũng rất thấp (3,83 mg/L). Yếu tố ô nhiễm nghiêm trọng nƣớc thải chăn nuôi lợn là lƣợng coliform. Kết quả khảo sát của đề tài cho thấy rằng lƣợng coliform trong nƣớc thải vƣợt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Điều này không chỉ đối với nƣớc thải từ chuồng trại, nƣớc sau biogas mà cả nƣớc ở các ao xử lý sinh học. Trong nƣớc thải trƣớc khi vào hầm biogas lƣợng coliform 372.104MPN/100 mL. Phùng Đức Tiến và cs (2009), Trịnh Quang Tuyên và cs (2010) đánh giá thực trạng ô nhiễm môi trƣờng trong chăn nuôi nói chung cũng chỉ ra rằng tình hình xử lý chất thải còn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Tỷ lệ cơ sở chăn nuôi có khu xử lý chất thải rất thấp. Phƣơng thức xử lý còn rất thô xơ chủ yếu là ủ phân tƣơi và phân nhỏ xử lý bằng biogas. Còn lại một tỷ lệ lớn chất thải đổ trực tiếp ra môi trƣờng. Môi trƣờng chăn nuôi bị ô nhiễm nặng. Nƣớc thải chăn nuôi không đƣợc xử lý gây ô nhiễm nặng nề môi trƣờng xung quanh, đặc biệt là các chỉ tiêu vi sinh vật. Đây là một nguồn lây lan dịch bệnh. Hàm lƣợng coliform cao hơn mức cho phép. Mức độ ô nhiễm có xu hƣớng tăng theo qui mô chăn nuôi. Chăn nuôi trang trại với mức tập trung cao, không có biện pháp xử lý chất thải có mức độ ô nhiễm cao hơn. Nƣớc thải chăn nuôi tại Châu Âu cũng mang đặc điểm chung của nƣớc thải chăn nuôi là có tải trọng chất hữu cơ và dinh dƣỡng cao. Ngoài ra, nƣớc thải chăn nuôi lợn còn chứa hàm lƣợng các kim loại cao nhƣ Zn và Cu đƣợc sử dụng làm chất kích thích tăng trƣởng (Abe và cs (2012), De la Torre và cs (2000)). Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi đƣợc xác định nhƣ trong Bảng 1.2. 12
Bảng 0.2. Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn pha loãng Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị TSS mg/L 1340 ± 34 TOC mg/L 1375±121 IC mg/L 314±55 TN mg/L 393±26 NO2- mg/L
1.1.4. Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường và con người Ảnh hƣởng đầu tiên là sức khỏe của con ngƣời và động thực vật nơi có nguồn chất thải chăn nuôi. Với những địa điểm này, thƣờng thì thực vật và động vật rất khó sống, không những thế ngay cả con ngƣời cũng bị đe dọa một cách trầm trọng. Hầu hết những ngƣời sống tại đây thƣờng xuyên mắc phải những bệnh nhƣ tiêu chảy, đau đầu, ói mửa, … tất cả đều do bị ảnh hƣởng bởi mùi hôi thối khó chịu của các chất thải vật nuôi. Nguy hiểm hơn nữa, những địa điểm này thƣờng là địa điểm trú ngụ của ruồi, muỗi, gián, các loại vi khuẩn, … dễ dàng truyền các bệnh nguy hiểm nhƣ sốt xuất huyết, tay chân miệng, thậm chí nguy hiểm hơn là mầm mống của các bệnh ung thƣ, hô hấp, … Ảnh hƣởng của chất thải chăn nuôi đến môi trƣờng là vô cùng lớn nếu không đƣợc xử lý. Đây đƣợc xem nhƣ những ổ dịch gây bênh cho con ngƣời rất nhiều. Các loại dịch bệnh nhƣ H5N1, H1N1, tai mũi họng, … Các loại ký sinh trùng đƣợc hình hình qua quá trình hô hấp và thải trực tiếp ra các vi sinh vật gây bệnh trực tiếp hoặc gián tiếp tới con ngƣời nhƣ: vi khuẩn e coli, enterobacteriaceae, ... Hiện nay, còn nhiều trang trại chăn nuôi lợn, bò hàng ngày thải ra một lƣợng lớn chất thải không đƣợc xử lý và đổ trực tiếp vào hệ thống thoát nƣớc, kênh mƣơng trong vùng làm nhiều hộ dân không có nƣớc sinh hoạt, tỷ lệ ngƣời dân bị mắc bệnh tiêu chảy, mẫn ngứa và ghẻ lở cao. Chất thải chăn nuôi còn ảnh hƣởng đến nguồn nƣớc mặt, nƣớc ngầm, môi trƣờng khí, môi trƣờng đất và các sản phẩm nông nghiệp. 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. 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 hƣởng rất lớn đến sức khỏe con ngƣời, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch bệnh nhƣ: lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cƣớp đi sinh mạng của rất nhiều ngƣời. 14
1.2. Các công nghệ xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam và thế giới Đã có nhiều nghiên cứu khoa học trong xử lý thành phần hữu cơ trong nƣớc thải chăn nuôi và hầu hết các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào 3 nhóm phƣơng pháp chính gồm xử lý sinh học hiếu khí, sinh học kỵ khí và biện pháp sử dụng thực vật. Một số nghiên cứu khác tập trung vào biện pháp màng sinh học (MBR) trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp giàu nitơ (Phan Đỗ Hùng, 2015) và hệ sinh học kết hợp màng lọc - MBR (Nguyễn Sáng, 2016). Xử lý bằng biện pháp hiếu khí, bể phân huỷ sinh học tuần tự theo mẻ - SBR (Đặng Thị Hồng Phƣơng và cs, 2010), hệ màng sinh học vật liệu mang chuyển động – MBBR (Phạm Thị Hồng Đức và cs 2012) và bể sục khí – aerotank (Trịnh Quang Tuyên và cs, 2011; Vũ Đức Toàn, 2013) đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng cho các loại nƣớc thải giàu hữu cơ nhƣ nƣớc thải chăn nuôi lợn, nƣớc thải sản xuất tƣơng, nƣớc thải thuỷ sản và nƣớc rỉ rác. Sử dụng chế phẩm sinh học EM của một số nghiên cứu khá hiệu quả trong xử lý nƣớc thải giàu hữu cơ bằng biện pháp hiếu khí (Trịnh Quang Tuyên và cs, 2011). Nhóm các biện pháp kỵ khí đã đƣợc nghiên cứu gồm màng lọc kỵ khí (Dƣơng Thu Hằng và cs, 2015), bùn kỵ khí dòng chảy ngƣợc – UASB (Nguyễn Thị Sơn, 2004; Nguyễn Thị Sơn & Nguyễn Thị Thu Hà, 2004; Nguyễn Thị Hà và cs, 2014; Đinh Duy Chinh và cs, 2016), hệ vật liệu mang cố định (Trần Thị Hiền Hoa, 2016) cho nƣớc thải chăn nuôi, nƣớc thải mía đƣờng, nƣớc thải sản xuất tinh bột sắn và nƣớc thải thuỷ sản. Nhóm tác giả thuộc viện Công nghệ Môi trƣờng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nghiên cứu ứng dụng thực vật trong hệ ngập nƣớc nhân tạo nhằm xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn và nƣớc thải thuỷ sản (Trịnh Quang Tuyên và cs, 2011; Trần Văn Tựa và cs, 2010; Trần Văn Tựa, 2015; Vũ Thị Nguyệt và cs, 2014). Do đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi là thành phần hữu cơ cao nên lựa chọn biện pháp xử lý kỵ khí hiện là giải pháp có tính xu hƣớng và lợi thế hơn so với các biện pháp sinh học khác. So với quá trình xử lý hiếu khí thì biện pháp kỵ khí lại có thể thu hồi khí metan tạo ra năng lƣợng đốt cháy và từ đó bù lại đƣợc lƣợng năng lƣợng sử dụng cho quá trình xử lý. Hơn nữa so với xử lý hiếu khí, xử lý kỵ khí tạo 15
ra lƣợng bùn thấp hơn giúp giảm chi phí xử lý bùn thải. Việc xử lý bằng thực vật là biện pháp rất thân thiện với môi trƣờng, tuy nhiên, biện pháp này đòi hỏi diện tích rất lớn để triển khai hệ thống; ngoài ra cần nhiều thời gian để loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nƣớc thải. Dựa theo một số nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý yếm khí có thể phân loại thành 5 loại hình quy trình công nghệ điển hình đƣợc các trang trại lợn áp dụng để xử lý nƣớc thải chăn nuôi (Trần Văn Tựa, 2015). Nƣớc thải chăn nuôi đƣợc xử lý bằng ổn định kỵ khí, sau đó đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten, cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra ngoài. Hình 0.1: Qui trình đề xuất tổng thể xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn (Trần Văn Tựa, 2015) Các trang trại tuy đã có biện pháp xử lý hoặc xử lý kết hợp nhiều biện pháp nhƣng phần lớn vẫn còn ô nhiễm môi trƣờng và chất lƣợng nƣớc thải ra chƣa đạt tiêu chuẩn xả thải, điều này cũng đúng với trang trại sử dụng hệ thống bể sục khí. Hơn nữa, lƣợng khí sinh học thu đƣợc từ hầm biogas hầu nhƣ chƣa đƣợc sử dụng triệt để, mà bị thải thẳng ra môi trƣờng, hoặc chỉ tận dụng một phần vào mục đích đun nấu và thắp sáng, chứ hầu nhƣ chƣa sử dụng để chạy máy phát điện. Nghiên cứu của Dƣơng Thu Hằng và cs (2014) chỉ ra rằng khả năng thu hồi 16
khí metan từ xử lý nƣớc thải giết mổ lợn bằng hệ màng sinh học kỵ khí (AnMBR) là 0,3 m3 CH4/kg COD tƣơng ứng với nƣớc thải giết mổ với COD 600-1350 mg/L. Theo kết quả đề tài “Mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao” đƣợc coi là đầy đủ và đại diện cho các nghiên cứu xử lý nƣớc thải chăn nuôi ở Việt Nam. Nhƣng đây chỉ là mô hình thử nghiệm có công suất xử lý 30 m3/ngày với thể tích ao thực vật thủy sinh 720 m2; trong khi, tổng lƣợng nƣớc thải của Xí nghiệp nghiên cứu 12.000 đầu lợn các loại là 935 m3/ngày. Nếu tính cho cả xí nghiệp sẽ cần gần 2,5 ha, điều này sẽ khó khả thi nếu không tính tới phƣơng án sử dụng mặt nƣớc hiệu quả hơn và sinh khối bèo dƣ (Ngô Kế Sƣơng, 2006). Mô hình đề xuất bao gồm dây chuyền xử lý nƣớc thải đã đƣợc thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot, thu đƣợc các kết quả chính sau: - Hệ xử lý hiếu khí - thiếu khí SBR có hiệu quả xử lý tốt hơn so với hệ mƣơng ôxi hoá đối với đã qua xử lý kỵ khí. Hệ SBR hoạt động ổn định và cho hiệu suất xử lý cao. Với tải trọng COD và T-N tƣơng ứng trong các khoảng 0,3 – 1,4 kg-COD/(m3.ngày) và 0,22 – 0,34 kg-N/(m3.ngày), hiệu suất xử lý SS: 90 – 99 %; COD: 83 – 95 %; NH4+-N: 84 – 97 %; T-N: 82 – 90 %. T-P 60-70%. - Mô hình bao gồm hệ đất ngập nƣớc dòng chảy bề mặt, hệ thống thực vật nổi và dòng chảy ngầm qui qui mô 600 m2, công suất 30 m3 nƣớc thải có hiệu suất xử lý đạt tiêu chuẩn cột B của QCVN 40: 2011/BTNMT về COD và T-N. - Mô hình xử lý nƣớc thải pilot với công suất 30 m3/ngày gồm 3 công đoạn kỵ khí cao tải ABR, hệ hiếu khí-thiếu khí SBR và hệ đất ngập nƣớc nhân tạo sử dụng thực vật thuỷ sinh đã đạt hiệu suất xử lý cao với tỉ lệ loại bỏ đạt 98% với COD; 96,82% với T-N; 99,9 với TSS và 88,85% với T-P. Nƣớc sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải loại B của QCVN 40/2011 BTNMT về COD và T-N. Mô hình có chi phí hợp lý, có thể áp dụng cho các trang trại chăn nuôi lợn qui mô khác nhau. Nguyễn Sáng (2016) nghiên cứu hệ xử lý sinh học kết hợp lọc màng để xử lý nƣớc thải chăn nuôi. Hệ thống xử lý sinh học đƣợc bố trí gồm các bể yếm khí UASB, thiếu khí và hiếu khí kết hợp lọc màng đã đạt đƣợc hiệu suất xử lý cao trong 17
xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn khi vận hành ở điều kiện tối ƣu: lƣu lƣợng đầu vào 45 L/ngày, năng suất lọc 12 L/m2.giờ với chế độ hút 10 phút nghỉ 2 phút, cƣờng độ sục khí 0,0675 – 0,075 L/cm2/phút, duy trì DO trong bể hiếu khí 3 – 6 mg/L, nồng độ BHT trong bể tích hợp môđun màng lọc duy trì khoảng 9000 mg/L, thời gian lƣu bùn SRT 50 ngày và tỷ lệ dòng tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí ở mức 300%. Chỉ với thời gian lƣu nƣớc toàn hệ rất ngắn 1,52 ngày, hiệu suất xử lý COD, NH4+, NO3-, TN và TP của hệ thống đạt đƣợc rất cao, tƣơng ứng lần lƣợt là 97,5 – 98,3, trên 99,9; 70,8 – 88,3; 84,8 – 97,5 và 91,8 – 98,3%, tƣơng ứng các giá trị đầu ra là 52 – 98; thấp hơn 1; 5,7 – 27,72; 8,1 – 29,2 và 0,7 – 6,5 mg/L, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 01-79:2011/BNNPTNT loại B. Bên cạnh đó, chỉ tiêu coliform đạt tiêu chuẩn loại A và độ đục thấp hơn 1 NTU. Năng suất cực đại mà hệ đạt đƣợc là 4,8 kg COD/m3.ngày và 0,484 kg NH4+/m3.ngày. Thiết bị khí sinh học bể composte: Bể khí sinh học bằng vật liệu composite có nguồn gốc từ Trung Quốc. Từ khoảng những năm 2005 - 2006, mô hình sử dụng thiết bị bể composite này đã du nhập vào Việt Nam và đã đƣợc sản xuất và phát triển bởi một số các doanh nghiệp tại Việt Nam. Mặc dù mới áp dụng ở Việt Nam trong thời gian ngắn trên dƣới 10 năm, nhƣng hiện nay hầm biogas composite đã tƣơng đối phổ biến ở nhiều địa phƣơng. Số lƣợng hầm biogas composite đã lắp đặt đến nay khoảng gần 100.000 công trình, quy mô phổ biến chỉ đứng sau hầm khí sinh học do Viện Năng lƣợng, Bộ NN&PTNT thiết kế. Đến nay, đã có nhiều thiết kế khác nhau, cải tiến của hầm biogas bằng vật liệu composite, nhƣng nhìn chung các thiết kế này đều giữ nguyên lý hoạt động, vận hành giống nhau. Bể phân hủy là bộ phận chính quan trọng nhất đƣợc thiết kế dạng hình cầu, phần dƣới chứa dịch/nguyên liệu phân hủy, phần trên khối cầu là nơi chứa khí. Bể đầu vào và bể đầu ra vừa là nơi đƣa phân vào và đƣa dịch phận hủy ra ngoài vừa có vai trò làm bể điều áp. Tùy theo mỗi loại hình thiết kế mà bể đầu vào và bể đầu ra có thể tích bằng nhau hoặc thể tích bể đầu vào nhỏ hơn thể tích bể đầu ra. 18