NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI GIÀU NITƠ, PHOTPHO BẰNG HỆ KẾT HỢP BÙN HOẠT TÍNH VÀ VI TẢO SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH - NGUYỄN ANH VŨ - VIỆN KH&CN MÔI TRƯỜNG - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nước thải trang trại chăn nuôi lợn sau xử lý tại hồ biogas vẫn chứa các chất hữu cơ, dinh dưỡng với hàm lượng cao, không đạt quy chuẩn xả thải, được chứa tạm trong các ao, hồ tại chỗ để phục vụ tưới tiêu. Hệ vi sinh vật (vi khuẩn, vi tảo…) trong các hồ chứa nước thải dạng hồ sinh học có thể tiếp tục tiêu thụ chất dinh dưỡng, giúp giảm ô nhiễm trong nước thải. Nghiên cứu này kết hợp khả năng xử lý nước thải của vi tảo Chlorella và vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính tiến hành trên dạng sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học. Qua sàng lọc ban đầu, chủng Chlorella H6 cho thấy tốc độ tăng trưởng tốt trong môi trường nước thải, do đó, chủng Chlorella H6 được lựa chọn để tiến hành các thí nghiệm trên hai mô hình tảo-bùn bám dính trên giá thể gồm (1) giá thể sinh học chuyển động (MBBR) với các chế độ làm việc gián đoạn (1.a) và luân phiên (1.b), và (2) màng sinh học gắn trên trục quay. Các thí nghiệm được tiến hành với thời gian lưu là 48 giờ, chiếu sáng 24/24 giờ với cường độ 2000÷2500 lux, nhiệt độ làm việc là nhiệt độ phòng thí nghiệm, từ 25÷35ºC. Nước thải được sử dụng là nước thải chăn nuôi đã qua xử lý yếm khí trong hồ biogas, có COD=396÷893 mg/L, TN=565÷585mg/L, NNH4 +=359÷476 mg/L, P-PO4 3-=51÷118.8 mg/L. Trong hệ (1.a), khảo sát hiệu quả xử lý nước thải với sự có mặt của bùn, tảo riêng và hỗn hợp tảo-bùn cho thấy tốc độ tăng trưởng đặc trưng của tảo và bùn hoạt tính ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả xử lý nước thải. Hỗn hợp tảo-bùn cho hiệu quả xử lý N, P cao nhất, đạt 94.7% đối với NH4 + và 43.1% đối với PO4 3- . Hệ (1.b) được tiến hành với nước thải lưu 8 giờ trong bùn hoạt tính và 40 giờ với tảo, so sánh với hỗn hợp tảo-bùn lưu trong 48 giờ. Kết quả cho thấy hỗn hợp tảo-bùn vẫn cho hiệu quả xử lý cao hơn đối với NH4 + , PO4 3- với hiệu suất xử lý lần lượt đạt 99.6% và 14.8%. Ở (2), tỷ lệ phối trộn 2L nước thải sau biogas không pha loãng với 3.5L hỗn hợp tảo-bùn cho hiệu quả xử lý NH4 + và PO4 3- cao nhất, lần lượt đạt 99.6% và 19.5%. Nghiên cứu cho thấy do tỷ lệ BOD5/COD thấp, từ 0.12 ÷ 0.38/1, vì phần lớn chất hữu cơ còn lại trong nước ra từ hồ biogas là chất khó phân hủy sinh học nên hiệu quả xử lý COD của hệ tảo, bùn không cao. Từ khóa: Chlorella, bùn hoạt tính, sinh trưởng bám dính, đồng xử lý, nước thải chăn nuôi lợn

Giảng viên hướng dẫn : PGS TS Đoàn Thị Thái Yên

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Anh Vũ

HÀ NỘI 6/2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Ngành: Công nghệ Môi trường

1 Đầu đề thiết kế:

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi giàu nitơ, photpho bằng hệ kết hợp bùn hoạt tính và vi tảo sinh trưởng bám dính

2 Các số liệu ban đầu:

- Các chủng vi tảo Chlorella được bảo quản tại chỗ gồm VACC 0035, VACC

0082, VACC 0111, VACC 0125 và H6

- Bùn hoạt tính từ hệ thống xử lý sinh học hiếu khí Aeroten tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Môi trường thuộc Viện KH và CN Môi trường

- Nước thải sử dụng là nước thải trại chăn nuôi lợn ở Thanh Oai, Hà Nội đã được xử lý yếm khí trong bể biogas

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Tuyển chọn chủng tảo Chlorella phát triển tốt trong môi trường nước thải

chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí trong bể biogas

- Khảo sát sự biến thiên nồng độ các thông số ô nhiễm gồm COD, Nitơ (dạng

NH4+ và NO3-), Photpho (dạng PO43-) trên hệ thống giá thể sinh học chuyển động (MBBR) và màng sinh học gắn trên trục quay sử dụng hệ kết hợp giữa vi tảo và bùn hoạt tính

- Đánh giá chế độ làm việc, thời gian lưu của hệ thống và khả năng thích nghi của tảo trên các hệ thống

4 Các bảng số liệu, bản vẽ đồ thị:

- Các đồ thị biểu diễn đường cong sinh trưởng của các chủng tảo

- Các đồ thị biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thông số ô nhiễm trên hệ thống giá thể sinh học chuyển động (MBBR) và màng sinh học gắn trên trục quay

5 Cán bộ hướng dẫn:

PGS TS Đoàn Thị Thái Yên – Bộ môn Công nghệ Môi trường

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …/…/2017

hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện Đồ án tốt nghiệp

Đồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo, cán bộ Bộ môn Công nghệ Môi trường, Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Môi trường và các thầy cô, cán bộ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện, giúp đỡ và hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu vừa qua

Cuối cùng, em xin được cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm, giúp đỡ, động viên, khuyến khích em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày 01 tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Anh Vũ

MỤC LỤC

Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

TÓM TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn và nước thải từ chăn nuôi lợn 3

1.1.1 Ngành chăn nuôi lợn 3

1.1.2 Nước thải trong ngành chăn nuôi lợn 3

1.2 Phương pháp xử lý nước thải trại chăn nuôi lợn 3

1.2.1 Xử lý sơ cấp 3

1.2.2 Xử lý bằng phương pháp sinh học 3

1.2.2.1 Phương pháp sinh học yếm khí 3

1.2.2.2 Phương pháp sinh học hiếu khí 3

1.3 Xử lý nước thải bằng vi tảo Chlorella 3

1.3.1 Thông tin chung về Chlorella 3

1.3.2 Nhu cầu dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ 3

1.3.3 Khả năng xử lý ô nhiễm nước của vi tảo 3

1.4 Giới thiệu về hệ thống giá thể sinh học và màng sinh học 3

1.4.1 Thiết bị phản ứng sinh học có lớp giá thể chuyển động (MBBR) 3

1.4.2 Thiết bị nuôi trồng vi tảo bằng giá thể sinh học dạng màng 3

1.5 Giới thiệu địa bàn nghiên cứu 3

1.5.1 Giới thiệu chung về trại lợn giống Thanh Hưng 4

1.5.2 Chất thải tại trang trại 5

1.5.2.1 Các loại chất thải phát sinh 5

1.5.2.2 Nước thải và hệ thống xử lý nước thải 6

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 8

2.1 Vi tảo Chlorella 8

2.2 Phương pháp nuôi trồng vi tảo Phương pháp xác định tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo 8

2.2.1 Phương pháp nuôi trồng vi tảo 8

2.2.2 Phương pháp xác định tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo 9

2.3 Bùn hoạt tính 10

2.4 Phương pháp nuôi bùn hoạt tính 10

2.5 Nước thải 10

2.6 Giá thể sinh học 11

2.7 Màng sinh học 11

2.8 Quy trình thí nghiệm 12

2.9 Bố trí thí nghiệm 13

2.9.1 Hệ thống sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học chuyển động (MBBR) 13

2.9.2 Hệ thống sinh trưởng bám dính trên màng sinh học gắn trên trục quay 14

2.10 Phương pháp xác định thông số ô nhiễm 15

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16

3.1 Đặc tính của nước thải sau hồ phủ bạt (biogas) cần xử lý 16

3.2 Tuyển chọn chủng tảo có khả năng phát triển tốt trong môi trường nước thải chăn nuôi sau xử lý yếm khí 16

3.2.1 Hoạt hóa trong môi trường dinh dưỡng BBM-2N-vitamin 16

3.2.2 Tuyển chọn trong môi trường nước thải chăn nuôi sau hồ biogas 17

3.3 Hệ sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học chuyển động (MBBR) 18

3.3.1 Biến thiên các thông số ô nhiễm trong hệ làm việc theo mẻ (gián

đoạn) 18

3.3.1.1 COD 19

3.3.1.2 N dạng NH 4 + 20

3.3.1.3 N dạng NO 3 - 20

3.3.1.4 P dạng PO 4 3- 21

3.3.1.5 Đánh giá quá trình vận hành hệ thống 21

3.3.2 Biến thiên các thông số ô nhiễm trong hệ làm việc luân phiên 23

3.3.2.1 COD 23

3.3.2.2 N dạng NH 4 + 24

3.3.2.3 N dạng NO 3 - 24

3.3.2.4 P dạng PO 4 3- 25

3.3.2.5 Đánh giá quá trình vận hành hệ thống 26

3.4 Hệ màng sinh học gắn trên trục quay 26

3.4.1 COD 26

3.4.2 N dạng NH 4 + 27

3.4.3 N dạng NO 3 - 28

3.4.4 P dạng PO 4 3- 28

3.4.5 Đánh giá quá trình vận hành hệ thống 29

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

PHỤ LỤC 36

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Reactor)

SMEWW Phương pháp tiêu chuẩn cho phân tích nước và nước thải (Standard

Methods for the Examination of Water and Wastewater)

Sludge Blanket) USBF Bể xử lý sinh học kết hợp lọc sinh học dòng bùn ngược (Upflow

Sludge Blanket Filteration)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Giá trị các thông số ô nhiễm trong nước thải từ trại chăn nuôi lợn [2]

Error! Bookmark not defined.

Bảng 2.1 Thành phần môi trường BBM-2N bổ sung vitamin [23] 8 Bảng 2.2 Thành phần môi trường nuôi bùn hoạt tính 10Bảng 3.1 Thông số nước sau xử lý trong hồ phủ bạt (biogas) 16 Bảng 3.2 Tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của các chủng tảo Chlorella trong môi trường dinh dưỡng BBM-2N-Vitamin 17Bảng 3.3 Tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của các chủng tảo Chlorella trong môi trường nước thải chăn nuôi sau biogas 18Bảng 3.4 Sự thay đổi hàm lượng N-NO3- trên hệ giá thể làm việc gián đoạn (đơn vị mg/L) 20Bảng 3.5 Sự thay đổi hàm lượng N-NO3- trên hệ giá thể làm việc luân phiên (đơn vị mg/L) 25Bảng 3.6 Sự thay đổi hàm lượng N-NO3- trên hệ màng sinh học (đơn vị mg/L) 28

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ thịt lợn bình quân đầu người ở một số nước giai đoạn

2000-2015, đơn vị kg/người [1] Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ phân hủy yếm khí chất thải [3] Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn [2]Error! Bookmark not

defined.

Hình 1.4 Cấu trúc tế bào tảo Chlorella [9] Error! Bookmark not defined.

Hình 1.5 Quá trình trao đổi chất của tảo và vi khuẩn trong môi trường chứa chất

thải hữu cơ [9] Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Thiết bị phản ứng sinh học có lớp giá thể chuyển động [19] Error!

Bookmark not defined.

Hình 1.7 Sơ đồ màng quay nuôi tảo [21] Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống màng quay nuôi tảo dạng mương và máng [21] Error!

Bookmark not defined.

Hình 1.9 Ảnh chụp vệ tinh trại lợn giống Thanh Hưng 4

Hình 1.10 Các thành phần của hệ thống xử lý nước thải 7

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải và vị trí lấy mẫu 11

Hình 2.2 Giá thể vi sinh (mã số PE05) [24] 11

Hình 2.3 Màng sinh học trước khi gia công 12

Hình 2.4 Quy trình thí nghiệm 12

Hình 2.5 Mô hình hệ thống sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học (MBBR) 13

Hình 2.6 Mô hình hệ thống sinh trưởng bám dính trên màng sinh học gắn trên trục quay 14

Hình 3.1 Đường cong sinh trưởng của các chủng tảo Chlorella trong môi trường dinh dưỡng BBM-2N-Vitamin 17

Hình 3.2 Đường cong sinh trưởng của các chủng tảo Chlorella trong môi trường nước thải chăn nuôi sau biogas 18

Hình 3.3 Hệ thống giá thể sinh học sau khi lắp đặt, bố trí 19

Hình 3.4 Biến thiên giá trị COD trên hệ giá thể làm việc gián đoạn 19

Hình 3.5 Biến thiên hàm lượng N-NH4+ trên hệ giá thể làm việc gián đoạn 20

Hình 3.6 Biến thiên hàm lượng P-PO43- trên hệ giá thể làm việc gián đoạn 21

Hình 3.7 Giá thể sinh học sau 2 tháng chạy hệ thống 22

Hình 3.8 Biến thiên giá trị COD trên hệ giá thể làm việc luân phiên 23

Hình 3.9 Biến thiên hàm lượng N-NH4+ trên hệ giá thể làm việc luân phiên 24

Hình 3.10 Biến thiên hàm lượng P-PO43- trên hệ giá thể làm việc luân phiên 25

Hình 3.11 Hệ thống màng sinh học sau khi lắp đặt, bố trí 26

Hình 3.12 Biến thiên giá trị COD trên hệ màng sinh học 27

Hình 3.13 Biến thiên hàm lượng N-NH4+ trên hệ màng sinh học 27

Hình 3.14 Biến thiên hàm lượng P-PO43- trên hệ màng sinh học 29

Hình 3.15 Lớp tảo bám dính trên màng sinh học sau 7 ngày 30

TÓM TẮT

Nước thải trang trại chăn nuôi lợn sau xử lý tại hồ biogas vẫn chứa các chất hữu cơ, dinh dưỡng với hàm lượng cao, không đạt quy chuẩn xả thải, được chứa tạm trong các ao, hồ tại chỗ để phục vụ tưới tiêu Hệ vi sinh vật (vi khuẩn, vi tảo…) trong các hồ chứa nước thải dạng hồ sinh học có thể tiếp tục tiêu thụ chất dinh dưỡng, giúp giảm ô nhiễm trong nước thải Nghiên cứu này kết hợp khả năng xử lý

nước thải của vi tảo Chlorella và vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính tiến hành

trên dạng sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học Qua sàng lọc ban đầu, chủng

Chlorella H6 cho thấy tốc độ tăng trưởng tốt trong môi trường nước thải, do đó,

chủng Chlorella H6 được lựa chọn để tiến hành các thí nghiệm trên hai mô hình

tảo-bùn bám dính trên giá thể gồm (1) giá thể sinh học chuyển động (MBBR) với các chế độ làm việc gián đoạn (1.a) và luân phiên (1.b), và (2) màng sinh học gắn trên trục quay Các thí nghiệm được tiến hành với thời gian lưu là 48 giờ, chiếu sáng 24/24 giờ với cường độ 2000÷2500 lux, nhiệt độ làm việc là nhiệt độ phòng thí nghiệm, từ 25÷35ºC Nước thải được sử dụng là nước thải chăn nuôi đã qua xử lý yếm khí trong hồ biogas, có COD=396÷893 mg/L, TN=565÷585mg/L, N-

NH4+=359÷476 mg/L, P-PO43-=51÷118.8 mg/L Trong hệ (1.a), khảo sát hiệu quả

xử lý nước thải với sự có mặt của bùn, tảo riêng và hỗn hợp tảo-bùn cho thấy tốc độ tăng trưởng đặc trưng của tảo và bùn hoạt tính ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả

xử lý nước thải Hỗn hợp tảo-bùn cho hiệu quả xử lý N, P cao nhất, đạt 94.7% đối với NH4+ và 43.1% đối với PO43- Hệ (1.b) được tiến hành với nước thải lưu 8 giờ trong bùn hoạt tính và 40 giờ với tảo, so sánh với hỗn hợp tảo-bùn lưu trong 48 giờ Kết quả cho thấy hỗn hợp tảo-bùn vẫn cho hiệu quả xử lý cao hơn đối với NH4+,

PO43- với hiệu suất xử lý lần lượt đạt 99.6% và 14.8% Ở (2), tỷ lệ phối trộn 2L nước thải sau biogas không pha loãng với 3.5L hỗn hợp tảo-bùn cho hiệu quả xử lý

NH4+ và PO43- cao nhất, lần lượt đạt 99.6% và 19.5% Nghiên cứu cho thấy do tỷ lệ BOD5/COD thấp, từ 0.12 ÷ 0.38/1, vì phần lớn chất hữu cơ còn lại trong nước ra từ

hồ biogas là chất khó phân hủy sinh học nên hiệu quả xử lý COD của hệ tảo, bùn không cao

Từ khóa: Chlorella, bùn hoạt tính, sinh trưởng bám dính, đồng xử lý, nước

thải chăn nuôi lợn

MỞ ĐẦU

Ngành chăn nuôi là một hợp phần quan trọng của ngành nông nghiệp, đóng góp vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và đảm bản an ninh lương thực Ngành chăn nuôi gia súc nói chung và chăn nuôi lợn nói riêng là một hình thức sản xuất nông nghiệp lâu đời của người Việt Trong xu thế phát triển của ngành nông nghiệp, các trang trại chăn nuôi xuất hiện ngày càng nhiều với quy mô ngày càng được mở rộng Tại các trang trại đó, mô hình kết hợp giữa chăn nuôi và trồng cây thường xuyên được ứng dụng nhằm tận dụng nguồn thức ăn tại chỗ cho vật nuôi, lại góp phần xử lý nước thải từ chuồng lợn vào việc ủ thu khí sinh học và tưới cây Tuy

đã được xử lý qua hệ thống bể (hầm, hồ) biogas song nước thải chăn nuôi sau xử lý vẫn chứa hàm lượng cao chất hữu cơ và chất dinh dưỡng, vượt quá tiêu chuẩn xả thải được cho phép, vẫn tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

Hiện nay, việc ứng dụng vi sinh vật để xử lý nước thải giàu chất hữu cơ, dinh dưỡng rất được ưa chuộng do hiệu suất cao, giá thành rẻ và các vận hành đơn giản Trong khi vi khuẩn hiếu khí thường được lựa chọn để xử lý nước thải chứa nhiều chất hữu cơ phân hủy sinh học thì vi tảo lại được ứng dụng để tiêu thụ thành phần chất dinh dưỡng có trong nước thải Điều này mở ra một hướng nghiên cứu mới với mục đích kết hợp vi tảo và vi khuẩn để xử lý nước thải chứa nhiều chất hữu cơ và chất dinh dưỡng như nước thải chăn nuôi nói trên, đồng thời thu sinh khối sau xử lý

để sử dụng cho các mục đích khác như ủ phân bón hữu cơ, sản xuất khí sinh học …

Với mục đích nghiên cứu, đánh giá khả năng kết hợp của tảo và vi khuẩn

hiếu khí trong bùn hoạt tính để xử lý nước thải, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải

chăn nuôi giàu nitơ, photpho bằng hệ kết hợp bùn hoạt tính và vi tảo sinh trưởng bám dính” đã được thực hiện và trình bày trong đồ án tốt nghiệp này

Mục tiêu nghiên cứu:

- Tuyển chọn chủng tảo Chlorella phát triển tốt trong môi trường nước thải

chăn nuôi lợn đã qua xử lý yếm khí trong hồ biogas để ứng dụng trên các hệ thống

xử lý sinh học sinh trưởng bám dính

- So sánh khả năng xử lý chất ô nhiễm trong nước thải của vi tảo Chlorella,

bùn hoạt tính riêng và hệ kết hợp giữa vi tảo và bùn hoạt tính trên hệ thống sinh trưởng bám dính giá thể sinh học chuyển động (MBBR) và màng sinh học gắn trên trục quay

Nội dung nghiên cứu:

- Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải nước thải chăn nuôi lợn đã qua xử lý yếm khí trong hồ biogas tại địa bàn nghiên cứu (Thanh Oai, Hà Nội)

- Tuyển chọn chủng tảo Chlorella phát triển tốt trong môi trường nước thải

chăn nuôi lợn đã qua xử lý yếm khí trong hồ biogas dựa trên tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo

- Đánh giá khả năng kết hợp của vi tảo Chlorella và bùn hoạt tính sinh trưởng

bám dính trên hệ giá thể sinh học chuyển động (MBBR) và hệ màng sinh học gắn trên trục quay

- Đánh giá khả năng xử lý chất ô nhiễm dạng hữu cơ, nitơ, photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí trong hồ biogas của hệ kết hợp giữa vi tảo

Chlorella và bùn hoạt tính sinh trưởng bám dính trên hệ giá thể sinh học chuyển

động và hệ màng sinh học làm việc gián đoạn và luân phiên

- Đề xuất một số hướng nghiên cứu ứng dụng hệ kết hợp vi tảo và bùn hoạt tính sinh trưởng bám dính để xử lý nước thải

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về ngành chăn nuôi lợn và nước thải từ chăn nuôi lợn

1.1.1 Ngành chăn nuôi lợn

1.1.2 Nước thải trong ngành chăn nuôi lợn

1.2 Phương pháp xử lý nước thải trại chăn nuôi lợn

1.3 Xử lý nước thải bằng vi tảo Chlorella

1.3.1 Thông tin chung về tảo Chlorella

1.4 Giới thiệu về hệ thống giá thể sinh học và màng sinh học

1.4.1 Thiết bị phản ứng sinh học có lớp giá thể chuyển động (MBBR)

1.5.1 Giới thiệu chung về trại lợn giống Thanh Hưng

Trại lợn giống Thanh Hưng nằm trên địa bàn thôn Bùi Xá, xã Tam Hưng, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội Trại là một trong 3 chi nhánh chăn nuôi của Công ty cổ phần Giống vật nuôi Hà Nội (không bao gồm trụ sở chính) Cơ cấu tổ chức của trại lợn giống Thanh Hưng gồm trại trưởng, trại phó, kế toán, nhân viên và bảo vệ

Tổng diện tích của trại lên tới 17 ha, nhưng trại mới sử dụng khoảng 6,7 ha cho chăn nuôi và trồng trọt, hơn 10 ha còn lại do chưa có nhu cầu sử dụng nên chuyển đổi cho nhân viên trồng lúa để tránh bỏ hoang Trong khuôn viên trại chia ra làm các khu vực sinh hoạt chung, khu chăn nuôi gia cầm, khu chăn nuôi lợn, khu trồng trọt, khu thả cá và khu xử lý chất thải

Hình 1.1 Ảnh chụp vệ tinh trại lợn giống Thanh Hưng

Điểm qua từng loại hình sản xuất của trại:

• Trồng trọt: trồng chủ yếu các cây lấy quả như ổi, chuối, bưởi, đu đủ, chanh… Quả được thu hoạch để bán

• Ao thả cá: có diện tích chiếm khoảng 20% khuôn viên của trại Cá được nuôi

để bán

• Chăn nuôi gia cầm: chăn nuôi các loại vịt, ngan, ngỗng với mục đích tự cung

tự cấp và để bán Số lượng gia cầm nuôi trong 1 năm khoảng từ 150 đến 200 con

• Chăn nuôi lợn: là loại hình chủ yếu của trại cũng như mục đích chính của trại

- Số lượng lợn duy trì trong 1 năm luôn ở mức 3000 ÷ 4000 con/năm

- Số lượng lợn sinh sản (lợn đẻ) duy trì khoảng 300 con tại mọi thời điểm

- Số lượng lợn thịt duy trì trên 1000 con/năm

- Số lượng lợn cai sữa duy trì 120 ÷ 130 con/tuần Trong giai đoạn cai sữa, lợn

dễ chết nên số lượng giảm theo thời gian Những con khỏe mạnh kết thúc quá trình

sẽ tiến vào giai đoạn lợn thịt hoặc trở thành lợn giống khi chúng được tuyển chọn

kỹ

Do trại lợn có quy mô lớn nên nguồn cung cấp điện nước đầu vào cho trại luôn phải ổn định với lượng lớn:

• Điện năng sử dụng cho trại là điện 3 pha mua của nhà nước

• Nước được cung cấp từ nguồn nước giếng khoan, lưu lượng ước tính khoảng

200 ÷ 220 m3/ngày, được xử lý qua hệ thống lọc trước khi sử dụng Bơm hút nước

từ mạch nước ngầm có lưu lượng 100 ÷ 450 L/phút với chiều cao tối đa là 22 ÷ 36

m Nước sau khi được hút từ lòng đất lên sẽ chuyển tới dàn mưa và bể lọc (vật liệu

là cát sỏi) với chiều cao tổng thể của hệ thống là 5 m Sau khi lọc xong nước chảy trực tiếp vào 2 bể chứa ngầm để tích trữ Nước tại bể chứa ngầm sẽ được đưa tới đài nước cao khoảng 20 m Nước từ tháp đài được phân phối tới các khu vực khác bằng

áp lực một cách tự nhiên do chênh lệnh áp suất Nước tại trại được sử dụng với 2 mục đính chính là cho sinh hoạt và cho sản xuất:

- Nước sinh hoạt gồm có nước phục vụ ăn uống (ngày 2 bữa trưa và tối) và nước phục vụ vệ sinh của công nhân viên (theo ca kíp của từng người) Nước ăn uống qua máy lọc RO trước khi sử dụng

- Nước phục vụ chăn nuôi chủ yếu dùng để cho làm nước uống, tắm rửa cho lợn cùng vệ sinh chuồng trại

1.5.2 Chất thải tại trang trại

1.5.2.1 Các loại chất thải phát sinh

Trang trại hiện tại sử dụng 6,7 ha cho mục đích chăn nuôi và trồng trọt Với việc cùng chăn nuôi và trồng trọt nên sẽ tạo ra nhiều loại rác thải khác nhau như:

• Trồng trọt: chất thải gồm lá cây khô được đem đốt và cỏ dại được cắt cho cá

ăn hoặc đốt

• Chất thải trong chăn nuôi lợn

- Phân lợn của lợn đẻ và lợn con dạng khô được thu gom đem bán với số lượng khoảng 20 bao/ngày

- Phân lợn thịt theo nước tiểu hoặc phân lỏng được thu vào hệ thống xử lý

- Nước thải: gồm nước tiểu lợn, nước thải sau khi tắm cho lợn, nước rửa chuồng

• Chăn nuôi khác: lượng chất thải rất ít

• Ngoài chất thải chăn nuôi, trồng trọt còn có chất thải sinh hoạt:

- Chất thải rắn tập chung để đốt hoặc thải bỏ ở bãi rác

- Nước thải được thải vào hệ thống và bể phốt

1.5.2.2 Nước thải và hệ thống xử lý nước thải

Lượng nước sử dụng của trại ước tính 216 m3/ngày (ứng với 8 giờ bơm nước với lưu lượng 450 L/phút) Coi nước cấp cho sinh hoạt và thất thoát có tổng thể tích

là 16 m3/ngày, vậy lượng nước cấp cho chăn nuôi là 200 m3/ngày Với lưu lượng này, nước thải chăn nuôi cần có hệ thống xử lý nước thải riêng

Trang trại có quy hoạch và xây dựng một hệ thống để xử lý nước thải chăn nuôi, bao gồm:

(1) Bể thu gom nước thải

(2) Hồ phủ bạt (dạng bể biogas)

(3) Hồ chứa nước thải sau hồ phủ bạt

(4) Hồ trồng rau muống nước (dạng wetland)

(5) Kênh hở (dạng mương oxi hóa)

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống xử lý nước thải

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vi tảo Chlorella

Chủng tảo Chlorella H6 được PGS.TS Đoàn Thị Thái Yên phân lập từ nước

ao của trại chăn nuôi ở xã Cổ Đông, thị xã Sơn Tây, Hà Nội Ngoài ra, có 4 chủng

tảo Chlorella được cung cấp bởi ngân hàng giống thuộc Viện Vi sinh vật và Công

nghệ sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội, gồm các chủng:

- VACC 0035: Chlorella vulgaris - nguồn gốc Đông Anh, Hà Nội

- VACC 0082: Chlorella pyrenoidosa - nguồn gốc hồ Ba Mẫu

- VACC 0111: Chlorella pyrenoidosa - nguồn gốc hồ Hoàn Kiếm

- VACC 0125: Scenedesmus bijugatus - nguồn gốc Hải Dương

2.2 Phương pháp nuôi trồng vi tảo Phương pháp xác định tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo

2.2.1 Phương pháp nuôi trồng vi tảo

Các chủng tảo được nuôi giữ giống trong môi trường BBM-2N bổ sung vitamin và trên bề mặt thạch có pha môi trường dinh dưỡng trong các đĩa petri, dán kín và bảo quản trong tủ ổn nhiệt ở nhiệt độ 20ºC, cung cấp ánh sáng 24/24 giờ với cường độ 500 ÷ 1500 lux bằng bóng đèn huỳnh quang

Khi được nuôi ở điều kiện phòng thí nghiệm, tảo được cung cấp ánh sáng 24/24 giờ bằng bóng đèn huỳnh quang, cường độ chiếu sáng khoảng 2000 ÷ 2500 lux, nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm, khoảng 25 ÷ 35 ºC

Môi trường nuôi tảo là môi trường BBM-2N (Bold’s Basal Medium double Nitrate) bổ sung vitamin, cung cấp cacbon vô cơ bằng 2 g NaHCO3/L Thành phần môi trường BBM-2N bổ sung vitamin được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần môi trường BBM-2N bổ sung vitamin [23]

T

T Thành phần

Hàm lượng chuẩn bị (g/L H 2 O)

Thể tích

sử dụng (mL/L)

Nồng độ trong môi trường nuôi (mol/L)

T Thành phần

Hàm lượng chuẩn bị (g/L H 2 O)

Thể tích

sử dụng (mL/L)

Nồng độ trong môi trường nuôi (mol/L)

2.2.2 Phương pháp xác định tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo

Nồng độ sinh khối của tảo được xác định theo phương pháp trắc quang Đo

độ hấp thụ quang của dung dịch tảo bằng máy quang phổ UV/VIS ở bước sóng 680

nm với mẫu trắng là dung dịch sau khi loại bỏ hết sinh khối tảo bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm Độ hấp thụ quang của dung dịch tảo quan hệ tuyến tính với nồng

độ sinh khối của tảo

Tốc độ tăng trưởng của tảo được xác định dựa trên nồng độ sinh khối của tảo tăng lên trong một khoảng thời gian xác định, được tính theo công thức sau:

Trong đó: A1, A2 (mg/L) là độ hấp thụ quang của dung dịch tảo tại thời điểm

độ hấp thụ quang của dung dịch tảo tại điểm đầu và điểm cuối của pha tăng trưởng cực đại (pha log) trong quá trình sinh trưởng của tảo với t1, t2 tương ứng

Khoảng thời gian để số lượng tế bào tảo tăng gấp đôi trong pha tăng trưởng cực đại được gọi là thời gian nhân đôi của tảo, được xác định theo công thức sau:

2.3 Bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính được nhân nuôi từ giống có sẵn trong bể Aeroten tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Môi trường thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

2.4 Phương pháp nuôi bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính được nuôi trong xô hoặc bình chứa dung tích 10 ÷ 20 L, sục khí đảo trộn hoàn toàn, cấp sáng tự nhiên, nhiệt độ nuôi bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm, khoảng 25 ÷ 30 ºC Môi trường nuôi bùn có thành phần như trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Thành phần môi trường nuôi bùn hoạt tính

Thành

phần KNO3 K2HPO4 KH2PO4 MgSO4

Sắt (III) Citrate (FeC6H5O7)

Đường mía (C12H22O11)

60 phút Mô hình hệ thống xử lý nước thải của trang trại và vị trí lấy mẫu được mô

tả trong hình 2.1

T = = , ngày

ln2 0.693

μmax μmax

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải và vị trí lấy mẫu

Nước thải được lấy thủ công từ hố gom, được lọc thô qua một lớp vải để loại bớt bùn yếm khí Nước được chứa trong can làm bằng nhựa PE, dung tích 30L, không bảo quản, được vận chuyển về phòng thí nghiệm trong khoảng 1 giờ và được phân tích các thông số trong ngày hoặc bảo quản lạnh tại nhiệt độ 4 ºC Tính chất

đặc trưng của nước thải được đánh giá sau mỗi lần lấy mẫu

2.6 Giá thể sinh học

Giá thể vi sinh được sử dụng mua từ Công ty Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Môi trường MECIE, có mã số PE05 Giá thể có kích thước 25×12 mm, với 19 lỗ, tỷ trọng 0.96 ÷ 0.98 g/cm3, diện tích bề mặt tiếp xúc hiệu quả >500m2/m3

(hình 2.2) [24]

Hình 2.2 Giá thể vi sinh (mã số PE05) [24]

Giá thể sinh học được ngâm trong dung dịch axit HCl loãng (khoảng 0.1N) rồi rửa nhiều lần với nước và tráng bằng nước lọc RO trước khi sử dụng

2.7 Màng sinh học

Màng sinh học làm bằng cotton 100%, được gia công bằng cách đặt 1 lớp nilon bằng PE giữa 2 lớp vải (hình 2.2), là ép ở 200ºC, may viềm xung quanh và cuốn thành ống vải có chu vi 85 ÷ 86 cm, rộng 22 cm

Vị trí lấy mẫu

Hình 2.3 Màng sinh học trước khi gia công

100 mL từ 2 ÷ 3 đợt để tảo phát triển ổn định trước khi tiến hành tuyển chọn

- Tuyển chọn chủng tảo trong môi trường dinh dưỡng: Mỗi chủng tảo được nhân thành 3 mẫu trong bình nón 250 mL theo tỷ lệ tảo/dinh dưỡng=1/1, thể tích

100 mL, được cấp sáng 24/24 giờ, thời gian lưu là 7 ngày Tiến hành đo độ hấp thụ quang của dung dịch tảo theo từng ngày để tính tốc độ tăng trưởng của tảo Lặp lại quá trình thêm 2 lần

- Tuyển chọn chủng tảo trong môi trường nước thải chăn nuôi sau biogas: Mỗi chủng tảo được nhân thành 3 mẫu trong bình nón 250 mL theo tỷ lệ tảo/nước thải=1/1, thể tích 100 mL, được cấp sáng 24/24 giờ, thời gian lưu là 7 ngày Tiến hành đo độ hấp thụ quang của dung dịch tảo theo từng ngày để tính tốc độ tăng

Phân tích, đánh giá

Tuyển chọn chủng

vi tảo trong môi

tảo phát triển tốt nhất

Chạy hệ thống màng sinh học

Phân tích, đánh giá

trưởng của tảo Lặp lại quá trình thêm 2 lần Căn cứ vào tốc độ tăng trưởng và thời gian nhân đôi của tảo để lựa chọn chủng tảo phát triển tốt nhất dùng cho hệ thống

- Chạy hệ thống: Khởi động hệ thống màng/giá thể trong thời gian từ 1 ÷ 4 tuần để hệ vi sinh vật phát triển ổn định trước khi tiến hành các quy trình phân tích

- Phân tích và đánh giá: Tiến hành các quy trình phân tích dựa trên mục tiêu nghiên cứu

Hình 2.5 Mô hình hệ thống sinh trưởng bám dính trên giá thể sinh học (MBBR)

Hệ thống gồm 3 bình nhựa PP hình trụ trong suốt, kích thước 18.5×28 cm (đường kính × chiều cao), dung tích 7.5 L Mỗi bình được bổ sung 150 giá thể sinh học, thể tích lớp giá thể khoảng 1.5 ÷ 1.8 L Khí được cấp tại đáy bình thông qua đầu sục khí gắn cố định trên ống dẫn bằng nhựa PP Ánh sáng được cung cấp 24/24 giờ bằng bóng đèn huỳnh quang, cường độ ánh sáng khoảng 2000 ÷ 2500 lux Nhiệt

độ làm việc bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm, khoảng 25 ÷ 35 ºC

Thí nghiệm được tiến hành theo 2 chế độ làm việc:

- Chế độ gián đoạn:

4 L bùn hoạt tính + giá thể

4 L tảo Chlorella

+ giá thể

4 L hỗn hợp tảo-bùn + giá thể

Nước thải chăn nuôi sau biogas không pha loãng

chứa

- Chế độ luân phiên:

Bùn hoạt tính, tảo và hỗn hợp tảo-bùn đều được nuôi thích nghi trong nước thải chăn nuôi, riêng với hỗn hợp tảo-bùn có tỷ lệ tảo/bùn=5/1 theo thể tích, tổng sinh khối đạt trên 1.0 g/L Nguồn cacbon vô cơ được bổ sung dưới dạng NaHCO3

với hàm lượng 5 g/L Thí nghiệm được tiến hành trong 48 giờ, lấy mẫu vào khoảng

8 ÷ 9 giờ sáng và 14 ÷ 15 giờ chiều mỗi ngày Riêng đối với chế độ luân phiên, mẫu thứ 2 được lấy sau 8 giờ tính từ thời điểm bắt đầu thí nghiệm Mẫu nước thải được

xử lý bằng hệ bùn tảo được lấy mẫu định kỳ, đưa đi ly tâm với tốc độ 6500 vòng/phút để tách sinh khối trước khi tiến hành phân tích các thông số COD, NH4+,

NO3-, PO43-

2.9.2 Hệ thống sinh trưởng bám dính trên màng sinh học gắn trên trục quay

Mô hình hệ sinh trưởng bám dính trên màng sinh học gắn trên trục quay được thể hiện trên hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình hệ thống sinh trưởng bám dính trên màng sinh học gắn trên

trục quay

Màng sinh học được gắn lên hệ trục được làm bằng nhựa PVC, gồm một trục chính đường kính 48 mm và 2 trục phụ đường kính 27 mm Trục chính được bọc một lớp bằng cao su dày 1 mm tạo ma sát, gắn với mô-tơ có tốc độ quay 5/3

[DTY1]vòng/phút Hệ thống sử dụng 3 khay chứa làm bằng nhựa PP, kích thước 43×28×15 cm, dung tích 10 L, đặt trên máy lắc tịnh tiến với biên độ khoảng 1.5 cm, chu kỳ khoảng 1.5 ÷ 2 giây[DTY2] Ánh sáng được cung cấp 24/24 giờ bằng bóng đèn LED (2 bóng 30 cm, 2 bóng 60 cm) gắn ở cạnh trên của khung, cường độ ánh sáng

4 L bùn hoạt tính + giá thể

4 L hỗn hợp tảo-bùn + giá thể

4 L tảo Chlorella

Nước thải chăn

nuôi sau biogas

không pha loãng

2 L

2 L

2 L Sau 8 giờ

Máy lắc Khay chứa