QUAN TÀI LIỆU
Khái quát về bùn thải
Bùn thải là chất thải rắn sinh ra trong quá trình xử lý nước, chất thải hoặc công nghiệp, chứa chất hữu cơ, vô cơ và tạp chất Trong xử lý nước, bùn hình thành từ quá trình lắng và keo tụ, gồm chất hữu cơ, vi sinh, hạt bùn và hợp chất khác Bùn thải cũng chứa hóa chất xử lý nước như chất keo tụ, khử trùng Trong công nghiệp, bùn sinh ra từ sản xuất, xử lý chất thải hoặc sản xuất năng lượng, chứa chất hữu cơ, kim loại nặng, hợp chất hữu cơ độc hại, chất béo và chất thải từ quy trình sản xuất.
- Bùn thải có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau trong đó có:
Quá trình xử lý nước thải: Bùn thải phát sinh trong quá trình xử lý nước thải Khi nước thải được xử lý để loại bỏ các chất ô nhiễm, chất rắn và chất hữu cơ có thể tách ra và tạo thành bùn thải.
Công nghiệp: Các hoạt động công nghiệp như sản xuất, chế biến thực phẩm, chế tạo kim loại, chế tạo dược phẩm và hóa chất có thể tạo ra bùn thải Những quy trình này thường sản sinh ra chất rắn, chất hữu cơ và các hợp chất ô nhiễm khác.
Nông nghiệp: Trong khu vực nông nghiệp, bùn thải có thể phát sinh từ quá trình xử lý chất thải hữu cơ như bã mía, bã cà phê, phân gia súc, hệ thống xử lý nước thải nông nghiệp và xử lý chất thải thực phẩm
Hệ thống thoát nước: Trong hệ thống thoát nước đô thị, bùn thải có thể phát sinh từ các hệ thống thoát nước và cống rãnh Đây là các chất rắn, chất hữu cơ và các chất ô nhiễm khác mà người dân và doanh nghiệp loại bỏ thông qua hệ thống thoát nước Khoáng sản và khai thác: Các hoạt động khai thác mỏ và khai thác tài nguyên khoáng sản cũng có thể tạo ra bùn thải Quá trình khai thác và xử lý quặng sản xuất ra các chất rắn ô nhiễm và chất hữu cơ
Xây dựng và công trình: Trong quá trình xây dựng và công trình, bùn thải có thể phát sinh từ việc xử lý và loại bỏ các vật liệu xây dựng như bê tông, đất đá, gạch, xi măng và vật liệu xây dựng khác
Hộ gia đình: Hộ gia đình cũng đóng góp một phần nhỏ vào phát sinh bùn thải thông qua hoạt động sinh hoạt hàng ngày như chế biến thức ăn, rửa chén, vệ sinh cá nhân và loại bỏ chất thải rắn.
Dựa theo tính chất của bùn thải
Khi bạn dựa theo tính chất của bùn thải để phân loại thì nó có hai loại đó là: bùn thải công nghiệp và bùn thải sinh học.
Bùn thải công nghiệp Đây là loại chất thải có trong quá trình xử lý nước thải công nghiệp Thành phần chính của bùn công nghiệp thường là các kim loại nặng, rất nguy hiểm và độc hại Vì vậy việc xử lý nước thải công nghiệp gặp rất nhiều khó khăn và tốn nhiều thời gian Bùn thải công nghiệp được chia làm 2 loại :
Bùn là hỗn hợp bao gồm chất hữu cơ, vi sinh vật, chất rắn dư và các vật liệu khác còn sót lại sau quá trình xử lý nước thải hoặc quy trình công nghiệp Đặc tính quan trọng của bùn là không chứa hoặc chỉ chứa các chất ô nhiễm độc hại ở mức độ thấp, không gây nguy hiểm đáng kể cho môi trường và sức khỏe con người.
● Bùn thải công nghiệp nguy hại là loại bùn bắt buộc phải thu gom và xử lý Nó chứa rất nhiều kim loại nặng như: Al, As, Mn, Zn, Hg, Pb,… Do đó, trước khi đưa loại bùn thải công nghiệp này ra môi trường phải xử lý đúng cách Nếu không xử lý tốt, thì sẽ ảnh hưởng đến môi trường, hệ sinh thái, cũng như sức khỏe cộng đồng lâu dài.
Bùn thải sinh học là sản phẩm từ quá trình xử lý sinh học nước thải nhằm loại bỏ các chất hữu cơ và tạp chất Quá trình xử lý này thường được thực hiện trong các nhà máy xử lý nước thải để đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải Bùn thải sinh học, không giống như các loại bùn thải thông thường, có tính chất không nguy hại, không mùi hôi và không chứa độc tố, do đó không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người.
Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, nước thải được đưa vào các hệ thống xử lý như hệ thống lọc sinh học hoặc hệ thống xử lý hiếu khí sinh học hay thêm than bùn, bột khử chua, dùng chế phẩm EM Các vi sinh vật như vi khuẩn và vi khuẩn tạo màng sinh học được sử dụng để tiêu diệt các chất hữu cơ trong nước thải Khi quá trình sinh học diễn ra, vi sinh vật sẽ tiêu thụ các chất hữu cơ và chuyển chúng thành bùn thải sinh học
1.1.4.Đặc điểm và tính chất
Hơn 60.000 chất và hợp chất đã được tìm thấy trong bùn thải và nước thải Chúng có nhiều đặc tính quan trọng như: chất rắn tổng số (TSS), chất rắn dễ bay hơi (VSS), pH, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, kim loại nặng và mầm bệnh.
Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) trong bùn thải dạng lỏng thường dao động từ 2-12%, trong khi bùn thải dạng khử nước có TSS từ 12-40% Bùn thải khô hoặc ủ thường có TSS trên 50%.
Độ ẩm: Bùn thải thường có nồng độ nước cao, tùy thuộc vào quá trình sản xuất hoặc xử lý nước thải Độ ẩm của bùn thải có thể dao động từ dạng rắn đến dạng lỏng.
Khái quát về phân compost
Phân compost hay còn gọi là phân hữu cơ vi sinh là sản phẩm phân bón được tạo thành thông qua quá trình lên men vi sinh vật các hợp chất có nguồn gốc khác nhau, có tác động của vi sinh vật hoặc các hợp chất sinh học được chuyển hóa thành mùn Tùy thuộc vào nhu cầu của sản xuất mà có thể cân đối phối trộn các phản liệu sao cho cây trồng phát triển tốt nhất mà không cần phải bốn bất kỳ các loại phân nào Phân vi sinh có thể dùng để bón lót hoặc bón thúc Loại phân này có hàm lượng dinh dưỡng cao nên khi bón trộn đều với đất Nếu sản xuất phù hợp cho từng loại cây trong thì đây là loại phân hữu cơ tốt nhất
Mục tiêu nghiên cứu của biện pháp ủ phân compost từ bùn thải của hệ thống xử lý nước thải
Tối ưu hóa quá trình ủ phân: Mục đích là hiểu và xác định các yếu tố quan trọng như tỷ lệ trộn, nhiệt độ, độ ẩm, tỷ lệ carbon/nitơ (C/N), sự phân hủy của vi sinh vật, vật liệu và thời gian ủ phân Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện này để ủ phân hiệu quả và nhanh chóng. Đánh giá chất lượng phân hữu cơ: Mục đích là đánh giá chất lượng phân hữu cơ được sản xuất từ bùn thải, bao gồm hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng chất dinh dưỡng (như nitơ, phốt pho, kali), pH, hàm lượng kim loại nặng, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng, khả năng phân hủy cải thiện cấu trúc đất và ức chế khả năng phát triển của cỏ dại độc hại. Đánh giá tác động môi trường: Mục đích là đánh giá tác động của quá trình ủ phân từ bùn thải đến môi trường xung quanh, bao gồm cả khả năng gây ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm không khí Cần nghiên cứu để xác định các phương pháp xử lý và kiểm soát nhằm đảm bảo quá trình ủ phân không gây hại cho môi trường.
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá các ứng dụng của phân trộn từ bùn thải trong lĩnh vực nông nghiệp, cải tạo đất và quản lý cảnh quan Mục đích chính là xác định hiệu quả của phân trộn trong việc cải thiện chất lượng đất, thúc đẩy tăng trưởng và phát triển của cây trồng, cũng như giảm nhu cầu sử dụng phân bón hóa học.
Kinh tế và xã hội: Mục tiêu là đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và xã hội của việc sử dụng bùn thải để làm phân bón Cần nghiên cứu để xác định lợi ích kinh tế của quá trình ủ phân và ứng dụng của phân bón trong nông nghiệp và quản lý môi trường Đồng thời, cần đánh giá các tác động xã hội, bao gồm tạo việc làm, thúc đẩy nền kinh tế địa phương và giảm sự phụ thuộc vào phân bón hóa học.
1.4 Một số phương pháp tách chiết bùn thải
Các lựa chọn xử lý bùn bao gồm ổn định, làm đặc, khử nước, sấy khô và đốt Khử và có khả năng gây ra các tác nhân gây nứt ứng suất môi trường do tràn và rò rỉ Khử nước làm giảm thể tích chất lỏng bùn tới 90% Bùn tiêu hóa trải qua các máy ly tâm lớn, tương tự như chu trình quay của máy giặt, để tách nước ra khỏi bùn rắn, tạo thành chất rắn sinh học Sau đó, nước được xử lý lại, với các hóa chất polymer được thêm vào để tạo ra các sản phẩm cứng hơn, dễ quản lý hơn Bánh rắn sinh học, bao gồm 25- 27% vật liệu rắn, sau đó được gửi trở lại nhà máy để tái chế.
Quá trình xử lý bùn thường bắt đầu bằng công đoạn làm đặc bùn bằng bể làm đặc trọng lực hoặc tuyển nổi bằng không khí hòa tan Sau đó, bùn được xử lý bằng hệ thống tiêu hóa hai giai đoạn, trong đó vi khuẩn kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ Giai đoạn đầu tập trung vào phân hủy protein và lipid thành các phân tử nhỏ hơn, trong khi giai đoạn thứ hai chuyển hóa các axit béo thành khí sinh học Quá trình tiêu hóa kỵ khí rất nhạy cảm với nhiệt độ và độ axit, đòi hỏi phải theo dõi chặt chẽ Trong một số trường hợp, enzyme thủy phân được bổ sung để nâng cao hiệu quả tiêu hóa và tạo ra nhiều khí sinh học hơn.
XỬ LÝ BÙN THẢI CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BIỆN PHÁP Ủ PHÂN COMPOST TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 2.1 Thành phần vật liệu ủ
Minh chứng về bố trí mô hình nghiên cứu
Các nghiệm thức được thực hiện trong thí nghiệm ủ phân compost trong điều kiện hiếu khí, sự khác biệt về tỉ lệ C/N của ba nghiệm thức này sẽ có kết quả ủ khác nhau, được dùng để xác định tỉ lệ ủ nào đem lại kết quả tối ưu nhất.
Các chỉ tiêu theo dõi
Trong quá trình ủ, quan trọng nhất là phải theo dõi nhiệt độ thùng ủ hằng ngày Nhiệt độ được đo vào khoảng 8 giờ sáng bằng nhiệt kế điện tử và phải đo ở chính giữa khối ủ.
+ Trong suốt quá trình ủ thì các chỉ tiêu: pH, ẩm độ sẽ tiến hành đo 1 lần/tuần.
+ Thu mẫu 2 lần trước và sau khi ủ để tiến hành phân tích các chỉ tiêu như: tỉ lệ C/N, tổng coliform, đạm hữu cơ, lân hữu cơ, trứng ký trùng và khối lượng của hỗn hợp ủ.
Phương pháp phân tích đã tiến hành
+ pH: Tỉ lệ trích là 1:2,5; đo bằng máy pH kế hiệu Aquatic 410
+ Chất hữu cơ ( %C): Dựa vào phương pháp Walkley-black ( Nelson và
Sommer,1996) để xác định Phương pháp Walkley – Black – Oxy hóa cacbon hữu cơ bằng dung dịch Kali dicromat (K2Cr2O7) dư trong môi trường axit sunfuric (H2SO4), sử dụng nhiệt do quá trình hòa tan axit sunfuric đậm đặc vào dung dịch dicromat, sau đó chuẩn độ lượng dư bicromat bằng dung dịch sắt (II), từ đó suy ra hàm lượng cacbon hữu cơ.
+ Nitơ hữu cơ: Xác định theo phương pháp chưng cất Kjeldahl (Bremner, 1996) Đây là phương pháp dùng để xác định lượng nitơ chứa trong các chất hữu cơ cộng với nitơ trong amoni vô cơ và amoni.
Đoạn văn bản đã cung cấp không có đủ thông tin để phục vụ cho mục đích viết lại.
+ Tổng hợp Coliform: tiến hành đếm bằng phương pháp đỗ đĩa (đơn vị CFU/g).
+ Trứng giun sán: Phương pháp được sử dụng là phương pháp dung dịch phù nổi Willis để định tính trứng giun đũa Đây là phương pháp dùng dung dịch có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng của trứng giun sán, đẩy trứng giun sán lên trên bề mặt của dung dịch.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm phân compost
- Theo nghiên cứu, nhiệt độ giữa các nghiệm thức dao động trong khoảng 29,5 – 44,1 0 C.
- Nhiệt độ giữa 3 nghiệm thức không có sự khác biệt đáng kể.
- Nhiệt độ đạt cực đại vào ngày thứ 5 ở nghiệm thức C/N%/1 (42,5 0 C) vào ngày thứ
- Nhìn chung thì có sự biến động lớn giữa nhiệt độ bên trong của các mẻ ủ với nhiệt độ môi trường Nhiệt độ tăng nhanh ở tuần đầu tiên và giảm dần ở các tuần tiếp theo, đến khoảng ngày 21 thì gần bằng với nhiệt độ của môi trường Khi đó ta có thể nhận biết được là khối ủ đã gần hoai mục
Nhiệt độ tăng cao trong tuần đầu tiên của quá trình ủ phân là do sự dồi dào các vi sinh vật, chất dinh dưỡng hữu cơ và oxy trong đống ủ, tạo môi trường tối ưu cho vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ, giải phóng nhiệt Sau đó, khi chất dinh dưỡng hữu cơ cạn kiệt và vi sinh vật chết dần do thiếu oxy, nhiệt độ giảm dần và gần bằng với nhiệt độ môi trường, đánh dấu thời điểm đống ủ đã hoai mục hoàn toàn.
- Tuy nhiên do khối lượng ủ còn khá ít nên không đạt đến nhiệt độ lý tưởng Theo nghiên cứu của Robert(2000), để đạt được đến 55 – 60 0 C thì lượng rác ủ phải ít nhất là 1m 3 Trong quá trình ủ, nhiệt độ dạt từ 55 – 60 0 C thì quá trình này sẽ hiệu quả và tiêu diệt được mầm bệnh
Hình 2.6.1 Diễn biến nhiệt độ ( 0 C) giữa các nghiệm thức ủ compost hiếu khí theo thời gian
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015
Bảng 2.6.2 Giá trị pH giữa các nghiệm thức ủ compost hiếu khí theo thời gian
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015
Ghi chú: trong cùng một hàng các chữ cái (a,b,c,d) giống nhau thì không có sự khác biệt về mặt thống kê qua phép thử Ducan.
- Nghiên cứu cho thấy rằng sau 28 ngày ủ giá trị pH giữa các nghiệm thức giao động từ 7.67 ± 0.03 đến 8.23 ± 0.07
- Các nghiệm thức đều có pH tăng mạnh ở tuần đầu tiên, ngày thứ 7 đạt giá trị cao nhất, cụ thể như sau :
- Từ ngày 7 đến ngày 21 giá trị pH vẫn duy trì ở khoảng 8,00 (C/N%/1) và 8,03 (nghiệm thức C/N0/1 và C/N5/1)
- Giá trị pH từ ngày 1 đến ngày 21 là do vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ chứa Ni tơ tạo thành NH4 + Trong quá trình ủ, nhiệt độ tăng nhanh do hoạt động phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật diễn ra mạnh, chuyển hóa các chất hữu cơ thành các sản phẩm phân hủy là ammoniac và chất hữu cơ khác NH4 + càng tạo ra nhiều thì môi trường càng có tính Kiềm cao, vì thế nên giá trị pH tăng nhanh
- Từ ngày thứ 21 đến ngày thứ 28, giá trị pH giảm nhẹ và dần dần ổn định Nguyên nhân là do quá trình chuyển hóa NH4 + thành NO3 - sinh ra ion H + , làm môi trường dần trở nên trung tính hơn
Sau ngày 28, các sản phẩm ủ dần thay đổi từ 7,87 ± 0.09 đến 8,00 ± 0.01 và đạt tiêu chuẩn ngành của bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (pH = 6-8)
Ẩm độ đóng vai trò quan trọng trong quá trình ủ phân thành công Việc thiếu hụt độ ẩm sẽ cản trở hoạt động của các vi sinh vật vì chúng cần nhiều nước để tổng hợp tế bào chất Do đó, cần đảm bảo duy trì độ ẩm thích hợp trong suốt thời gian ủ.
Bảng 2.6.3 Diễn biến ẩm độ (%) của các nghiệm thức ủ compost hiếu khí theo thời gian
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015
Ghi chú: trong cùng một hàng các chữ cái (a,b,c,d) giống nhau thì không có sự khác biệt về mặt thống kê qua phép thử Ducan.
Giá trị độ ẩm của các nghiệm thức giảm dần theo thời gian, có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p < 0,05) ngoại trừ nghiệm thức C/N%/1 so sánh giữa ngày 1 và ngày 7 không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê.
- Khối ủ có độ ẩm cao nhất vào ngày đầu tiên, sau đó giảm dần đến ngày thứ 28: C/N = 25/1 có giá trị 61,9 ± 0.87%
- Khi kết thúc thí nghiệm, chỉ số độ ẩm là:
- Kết quả thí nghiệm cho thấy, trong 7 ngày đầu tiên khối ủ giảm dần từ 62,17 ± 0.35% đến 59,17 ± 0.33% do nhiệt độ của khối ủ tăng cao Điều này chứng tỏ rằng độ ẩm này hoàn toàn phù hợp cho sự phát triển và hoạt động phân hủy chất hữu cơ của Vi sinh vật, điều này cũng phù hợp với ghi nhận của Blain(1995) và Lê Hoàng
Việt(2005), độ ẩm tối ưu cho phân hữu cơ là khoảng 60-70%
- Mặc dù trong ngày thứ 14 đến ngày 28 đã tiến hành xới đảo 2 lần/ tuần, nhưng ẩm độ của các nghiệm thức vẫn còn cao so với chuẩn đầu ra của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn là 35%
Đánh giá chất lượng phân compost từ các mô hình đã bố trí
2.7.1 Khối lượng phân trước và sau khi ủ
- Tốc độ hoai mục của phân hữu cơ liên quan đến sự thay đổi khối lượng của mẻ ủ
- Quá trình khoáng hóa vật chất hữu cơ càng diễn ra nhanh thì khối lượng giảm càng nhanh do CO2, NH3, CH4, H2O được tạo ra khi ủ Do đó khối lượng của khối ủ giúp đánh giá được tốc độ hoai mục qua đó đánh giá được tốc độ khoáng hóa của khối ủ
Bảng 2.7.1 Khối lượng phân của các nghiệm thức trước và sau ủ
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015
Ghi chú: trong cùng một hàng các chữ cái (a,b) giống nhau thì không có sự khác biệt về mặt thống kê 5% qua phép thử T-test.
- Bảng 2.7.1 cho thấy trong điều kiện hiếu khí, nghiệm thức C/N = 25/1 có tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ nhanh
- Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, ủ phân compost bằng kĩ thuật hiếu khí phối trộn tỉ lệ C/N = 25/1 sẽ có hiệu quả hơn 2 tỉ lệ còn lại.
Độ phân hủy vi sinh vật phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như Carbon và Nitrogen, trong đó tỷ lệ C/N đóng vai trò quan trọng Ngoài ra, các nguyên tố vi lượng cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của tế bào, góp phần vào quá trình phân hủy.
Nguồn Cacbon hữu cơ cần thiết cho cung cấp năng lượng và tạo sinh khối cơ bản, phần còn lại chuyển thành CO2.
Nitơ là thành phần cấu tạo chủ yếu nên Protein, acid nucleic… cần thiết cho sự phát triển cho tế bào
Tỷ lệ C/N là một chỉ số thiết yếu để đánh giá chất lượng đống ủ Theo nghiên cứu, khi tỷ lệ C/N giảm xuống mức 15-17, hoạt động hô hấp của vi sinh vật sẽ giảm và ổn định, cho thấy quá trình ủ diễn ra thuận lợi.
Chỉ số C/N sau khi ủ càng thấp tương ứng với mức độ phân hủy các hợp chất hữu cơ càng nhanh
Hình 2.7.2 Tỉ lệ C/N sau ủ hiếu khí 28 ngày
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015 Ủ hiếu khí với thời gian 28 ngày, tỉ lệ C/N giữa các nghiệm thức biến động trong khoảng 12.67 ± 0,76 đến 15,37 ± 1.85 Có thể thấy tốc độ phân hủy của 2 nghiệm thức C/N%/1 và C/N30/1 cao hơn so với nghiệm thức C/N5/1, nguyên nhân là do khối ủ này có lượng rơm nhiều hơn so với các nghiệm thức còn lại.
Bảng 2.7.3 Hàm lượng đạm hữu cơ (%) của các nghiệm thức trước và sau ủ Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 15, 10-2015
Ghi chú: trong cùng một hàng các chữ cái (a,b) giống nhau thì không có sự khác biệt về mặt thống kê 5% qua phép thử T-test.
- Kết quả Bảng 2.7.3 cho thấy hàm lượng đạm hữu cơ sau khi ủ tăng lên và các giá trị này khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% so với lúc trước khi ủ
- Hàm lượng đạm tổng số giữa các nghiệm thức ủ hiếu khí biến động khoảng 2,28- 2,55% Ở phương pháp này, vi sinh vật ưa khí hoạt động mạnh, liên tục sinh ra các khí
NH3, CO2 và các khí khác Lượng khí này thất thoát một phần ra ngoài khi xới trộn, chính vì vậy mà lượng đạm mất đi Phần NH3 còn lại giải phóng, kết hợp Acid Amin trong mùn, tạo thành nitơ dễ tiêu thụ, đây chính là lượng Nitơ cần thiết cho cây trồng khi đem bón
Trong quá trình ủ compost hiếu khí, hàm lượng đạm tổng số tăng cao nhất ở nghiệm thức C/N 0:1 (2,34%) và C/N 5:1 (2,555%), thấp nhất ở nghiệm thức C/N 7:1 Nghiệm thức C/N 0:1 có sự khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê so với nghiệm thức C/N 7:1 (p < 0,05).
- Như vậy, hàm lượng cacbon trong hàm lượng đảm hữu cơ cũng cao, do vi sinh vật trong quá trình phân hủy cacbon hữu cơ tạo ra năng lượng cung cấp cho quá trình đồng hóa làm gia tăng sinh khối trong khối ủ, chính vì vậy làm cho hàm lượng chất hữu cơ trong phân ủ cũng tăng.
- Hàm lượng tổng lân là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm phân hữu cơ
- Hàm lượng tổng lân giữa các nghiệm thức sau ủ tăng khác biệt khoảng 5% so với lúc đầu khoảng 1,68 – 2,1 (%P2O5)
- Trong quá trình phân giải, khối lượng phân đã giảm đi đáng kể so với khối lượng ban đầu nên hàm lượng tổng lân tăng lên.
- Nghiệp thức C/N0/1 có hàm lượng cao nhất và nghiệm thức C/N5/1 có giá trị thấp nhất, các giá trị này khác biệt có ý nghĩa thống kê(p0.05) qua phép thử T-test
Mật độ Coliform và trứng giun sán trong phân vẫn còn cao sau thời gian ủ do phương pháp hiếu khí không tạo ra nhiệt độ đủ cao để tiêu diệt chúng, trong khi nhiệt độ cao là một yếu tố quan trọng trong quá trình phân hủy vật chất hữu cơ và tiêu diệt vi sinh vật gây hại.
XỬ LÝ BÙN THẢI CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BIỆN PHÁP Ủ PHÂN COMPOST TRONG ĐIỀU KIỆN KỴ KHÍ
Thành phần vật liệu ủ
- Bùn hoạt tính: Bùn thải của hệ thống xử lý nước thải có các đặc điểm như là độ ẩm cao, có mùi hôi và màu đen Trước khi ủ khoảng 15 ngày, ta bắt đầu thu gom chuẩn bị bùn.
- Rơm để ủ phân là loại rơm mới vừa ủ nấm xong, thu thập rơm trên các khu đất trồng nấm của người dân tại các tỉnh vùng Đồng bằng sông Cửu Long một cách ngẫu nhiên.
Tỷ lệ trộn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ủ phân hữu cơ Các hỗn hợp ủ phải tuân theo tỷ lệ vật liệu cụ thể để đạt được tỷ lệ C/N tối ưu Trong thí nghiệm này, các tỷ lệ C/N được kiểm tra bao gồm 25/1 và 30/1 Bằng cách tuân theo những tỷ lệ trộn cụ thể này, quá trình ủ phân diễn ra hiệu quả, tạo ra phân hữu cơ chất lượng cao.
35/1 Thí nghiệm này được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong điều kiện kỵ khí với 3 nghiệm thức, 3 lần lặp lại Bố trí lần lượt các thùng kỵ khí có lắp đặt các nắp với các van nhằm mục đích đo nhiệt độ và thu được lượng khí sinh ra Thực hiện quan sát và tiến hành đo 1 lần/ ngày lượng gas đã được sinh ra.
Minh chứng về bố trí mô hình
Hình 1 Mô hình quan sát và đo lượng khí Gas sinh ra
Các chỉ tiêu theo dõi
Trong quá trình ủ, những thông số của các thùng ủ ta cần theo dõi như sau: + Nhiệt độ và lượng biogas được đo trong hệ thống bình serum (như Hình 1
Mô hình quan sát và đo lượng khí Gas sinh ra): trong suốt quá trình ủ quan sát mỗi ngày/ lần vào khoảng thời gian 8 giờ 00 sáng và phải được đo ở giữa khối ủ.
+ Trong suốt quá trình ủ thì các chỉ tiêu: pH, ẩm độ sẽ tiến hành đo 1 lần/tuần.
+ Thu mẫu 2 lần trước và sau khi ủ để tiến hành phân tích các chỉ tiêu như: tỉ lệ C/N, tổng coliform, đạm hữu cơ, lân hữu cơ, trứng ký trùng và khối lượng của hỗn hợp ủ.
Quy trình làm phân compost trong điều kiện kỵ khí
Ủ phân trong điều kiện kỵ khí là phương pháp ủ phân có quá trình phân hủy xảy ra bằng cách sử dụng các loài vi sinh vật tồn tại không cần oxy Các vi sinh vật kỵ khí chiếm ưu thế trong phương pháp này và đồng thời tạo ra các hợp chất trung gian( khí metan, acid hữu cơ, hydro sunfua và các chất khác) Một quy trình ủ phân compost kị khí cơ bản như sau:
- Thu gom nguyên liệu ủ: Nguyên liệu ủ được lấy từ nguồn chất hữu cơ mà cụ thể ở đây là bùn thải của các hệ thống xử lí nước thải.
- Xử lý và chuẩn bị nguyên liệu
- Xây dựng hệ thống ủ: Hệ thống ủ xây dựng khép kín hoặc hệ thống ủ chứa để đảm bảo quá trình ủ phân diễn ra trong điều kiện không có oxy
- Cho nguyên liệu vào hệ thống ủ: Các nguyên liệu được xếp chồng lên nhau để tạo ra một lớp dày và đảm bảo không có không khí xâm nhập.
- Đặt môi trường ủ vào hệ thống trong đó bao gồm vi khuẩn methanogens, các vi khuẩn này có nhiệm vụ phân hủy chất hữu cơ và tạo ra khí methan
- Theo dõi quá trình, luôn luôn đảm bảo nhiệt độ và độ ẩm trong hệ thống ủ ổn định và phù hợp cho sự phát triển của vi khuẩn.
- Xử lí, thu thập sản phẩm.
Phương pháp phân tích
+ pH: Tỉ lệ trích là 1:2,5; đo bằng máy pH kế hiệu Aquatic 410
+ Chất hữu cơ ( %C): Dựa vào phương pháp Walkley-black ( Nelson và
Sommer,1996) để xác định Phương pháp Walkley – Black – Oxy hóa cacbon hữu cơ bằng dung dịch Kali dicromat (K2Cr2O7) dư trong môi trường axit sunfuric (H2SO4), sử dụng nhiệt do quá trình hòa tan axit sunfuric đậm đặc vào dung dịch dicromat, sau đó chuẩn độ lượng dư bicromat bằng dung dịch sắt (II), từ đó suy ra hàm lượng cacbon hữu cơ.
+ Nitơ hữu cơ: Xác định theo phương pháp chưng cất Kjeldahl (Bremner, 1996) Đây là phương pháp dùng để xác định lượng nitơ chứa trong các chất hữu cơ cộng với nitơ trong amoni vô cơ và amoni.
+ Tổng Phospho: Vô cơ hoá mẫu đất bằng H2SO4 và HClO4 lọc hỗn hợp sau khi được vô cơ hoá, và cho phản ứng với hỗn hợp thuốc thử Amonium molipdate, axit arcobic và antimoantartrate, sau đó sẽ tiến hành đo mẫu ở bước sóng 882nm.
+ Tổng hợp Coliform: Đếm bằng phương pháp Most Probable Number (MPN).
+ Trứng giun sán: thực hiện phương pháp soi phân tươi.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm phân compost bằng phương pháp ủ kỵ khí
3.6.1 Diễn biến của nhiệt độ
Nhiệt độ biến đổi trong ngày và theo mùa có ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí trong quá trình sản xuất biogas Dựa vào kết quả nghiên cứu ở Hình 2, cho thấy nhiệt độ giữa các nghiệm thức biến đổi dao động trong khoảng 29 tới 33.9 0 C Khoảng nhiệt độ này cũng gần giống với nhiệt độ của môi trường bên ngoài và là khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa ấm phát triển Ủ phân compost trong điều kiện hiếu khí làm cho nhiệt độ khối ủ có thể tăng lên đến
50 – 70 0 C, trong khi đó, công nghệ ủ phân compost trong điều kiện kỵ khí làm cho nhiệt độ của khối ủ chỉ ở mức gần bằng với nhiệt độ của môi trường bên ngoài
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 08, 04-2014
Dựa vào Bảng 1 Diễn biến giá trị pH giữa các nghiệm thức ủ kỵ khí theo thời gian ta thấy:
Giá trị pH của nghiệm thức C/N%/1 có xu hướng tăng trong suốt quá trình ủ Vào ngày thứ 84, pH đạt mức cao nhất (8,67), trong khi vào ngày đầu tiên, pH thấp nhất (7,77) Điều này biểu thị sự thay đổi đáng kể của độ pH theo thời gian ủ, từ trạng thái gần trung tính (pH 7,77) sang trạng thái kiềm (pH 8,67).
- Nghiên cứu đã thực hiện chỉ ra giá trị pH của nghiệm thức C/N0/1 dao động trong khoảng 7,73 ± 0,03 đến 8,53 ± 0,07, giá trị cao nhất đạt vào ngày thứ 63 (pH=8,53), thấp nhất ở ngày 1 (pH=7,73) và có khác biệt ý nghĩa về mặt thống kê với pH đo vào ngày 1 (p 0,05).˂
- Nghiệm thức C/N5/1 đạt giá trị pH cao nhất vào ngày thứ 70 và ngày thứ 77 (pH 8,40), thấp nhất ở ngày 1 (pH=7,70) và có khác biệt ý nghĩa về mặt thống kê với pH đo vào ngày 1
Bảng 1 Diễn biến giá trị ph giữa các nghiệm thức ủ kỵ khí theo thời gian
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 08, 04-2014
Ghi chú: Trong cùng một cột nếu các chữ cái a,b,c,d,e,f giống nhau thì không có sự khác biệt thống kê qua phép thử Ducan. Ở cả 3 nghiệm thức, giá trị pH đều tăng theo thời gian ủ Nguyên nhân là do trong giai đoạn này có sự diễn ra quá trình phân hủy các hợp chất chưa nitơ tạo ra NH4 + Khi so sánh kết quả giữa các nghiệm thức, giá trị ph ở nghiệm thức C/N%/1 cao hơn giá trị pH ở hai nghiệm thức C/N0/1 và C/N5/1, nguyên nhân là do lượng bùn của hệ thống xử lí cung cấp vào nghiệm thức C/N%/1 nhiều hơn.
Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thị Thu Vân có nêu rằng giá trị pH trong bể phân hủy kỵ khí nên nằm trong khoảng 6,6 – 7,6 và tối ưu là 7,0 – 7,2 Như vậy, thí nghiệm đã minh chứng chưa đạt được điều kiện tối ưu của kỹ thuật ủ phân compost trong điều kiện kỵ khí Tuy nhiên, vẫn khảo sát được lượng khí sinh ra trong thí nghiệm này, chứng tỏ rằng giá trị pH không vượt quá ngưỡng chịu đựng của nhóm vi khuẩn sinh khí methane.
Bảng 2 Diễn biến ẩm độ (%) giữa các nghiệm thức ủ kỵ khí theo thời gian
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 08, 04-2014
Ghi chú: Trong cùng một cột nếu các chữ cái a,b,c,d,e,f giống nhau thì không có sự khác biệt thống kê qua phép thử Ducan.
- Ở nghiệm thức C/N%/1, giá trị ẩm độ có sự dao động biến thiên trong suốt thời gian ủ, giá trị ẩm độ của nghiệm thức C/N%/1 đạt cực đại vào ngày thứ 49 (66,00 ± 0,00) và thấp nhất vào các ngày: ngày thứ 84 (60,67 ± 0,67), ngày thứ 28 (60,67 ± 3,71) Các giá trị này có sự khác biệt về mặt thống kê.
Trong quá trình ủ, độ ẩm trong nghiệm thức C/N0/1 có sự thay đổi đáng kể Vào ngày thứ nhất, độ ẩm đạt mức cao nhất là 66,67 ± 0,88 Trong khi đó, đến ngày thứ 56, độ ẩm giảm xuống mức thấp nhất, chỉ còn 61,67 ± 0,67 Sự biến động này có ý nghĩa thống kê.
- Ở nghiệm thức C/N5/1, giá trị ẩm độ có sự dao động biến thiên trong suốt thời gian ủ, giá trị ẩm độ của nghiệm thức C/N0/1 đạt cực đại vào ngày thứ 1 (66,67 ± 0,88) và thấp nhất ngày thứ 56 (61,67 ± 0,67) Các giá trị này có sự khác biệt về mặt thống kê.
Tuy nhiên, giá trị ẩm độ của 3 nghiệm thức trên đều không có sự biến động nhiều từ ngày 1 đến ngày thứ 84 trong suốt quá trình ủ Nguyên nhân là do nhiệt độ của khối ủ không tăng cao, lượng nước có trong khối ủ nhiều và hệ thống được bố trí khép kín.
3.6.4 Kết quả theo dõi khả năng sinh khí
Trong quá trình ủ kỵ khí, lượng khí sinh ra được quan sát và theo dõi mỗi ngày Dựa vào hình 3 cho thấy lượng khí sinh ra liên tục biến động Lượng khí sinh ra của nghiệm thức C/N0/1 đạt mức cao nhất ở tuần thứ 3 là 103 lít Lượng khí sinh ra của nghiệm thức C/N5/1 cũng đạt mức cao nhất ở tuần thứ 3 là 101 lít Ta nhận thấy từ tuần thứ 8 lượng khí sinh ra cũng không còn tăng nữa Tổng lượng khí sinh ra xếp theo mức tăng dần là: nghiệm thức C/N%/1 (531L), kế đến là nghiệm thức
C/N5/1 (578L), và cao nhất là ở nghiệm thức C/N0/1 (663L).
Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Vân, kết quả này phù hợp: để đảm bảo khả năng sinh khí của khối ủ, nên phối trộn các tỉ lệ đạt tỉ số C/N đến 30/1 Bởi vì khuẩn sử dụng cacbon gấp 25 – 30 lần hàm lượng đạm.
Nguyên nhân mà lượng khí sinh ra giảm dần theo thời gian khảo sát là do giá trị pH của khối ủ ở các nghiệm thức tăng theo thời gian ủ và đạt giá trị hơn 8,0 từ ngày 21 trở lên (đã kết luận ở mục 3.6.2) Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7 Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 8 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn này giảm nhanh, vì vậy lượng khí biogas sinh ra cũng giảm nhanh Minh chứng từ thí nghiệm này đã cho thấy điều đó.
Đánh giá chất lượng phân compost từ các mô hình đã bố trí
3.7.1 Khối lượng phân trước khi ủ và sau khi ủ
- Tốc độ phân huỷ của phân hữu cơ có liên quan đến sự thay đổi khối lượng của khối ủ Khối lượng phân compost càng giảm bởi CO2, H2O, CH4, NH3 được tạo ra trong quá trình phân huỷ là do quá trình khoáng hoá vật chất hữu cơ diễn ra càng mạnh Xác định và so sánh khối lượng của các khối ủ trước và sau khi thí nghiệm cũng giúp chúng ta đánh giá được tốc độ phân huỷ của các nghiệm thức.
Bảng 3: Khối lượng phân (kg trọng lượng khô) các nghiệm thức trước và sau ủ
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 08, 04-2014
Chú ý: Trong cùng một hàng các chữ cái (a,b) giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% qua phép thử T-test.
- Kết quả nghiên cứu trên cho thấy rằng, ủ compost trong điều kiện kỵ khí, với tỷ lệ 25/1 cho ra lượng phân hữu cơ và lượng biogas sinh ra sau khi ủ thấp hơn các nghiệm thức 30/1 và 35/1 Vì vậy, nếu dùng kỹ thuật ủ compost kỵ khí để lấy gas thì không nên phối trộn với tỉ lệ 25/1 để cho ra lượng phân hữu cơ và khí biogas cao.
- Có rất nhiều yếu tố có thể gây ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ do các vi sinh vật:thành phần quan trọng nhất là cacbon và nitơ, còn tỉ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng nhất Nguồn cacbon hữu cơ ( nằm trong nguyên liệu nạp liệu) rất cần thiết trong việc cung cấp năng lượng và tạo sinh khối cơ bản trong quá trình đồng hoá thành tế bào mới, các thành phần còn dư sẽ được chuyển hoá thành CO2 Nitơ là thành phần nắm tầm chủ yếu để cấu thành protein, acid nucleic, acid enzyme, co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào.
- Tỉ lệ C/N là một trong những chỉ tiêu quan trọng khác để đánh giá mức độ hoai mục của phân hữu cơ Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thì trong quá trình ủ, khi tỉ lệ C/N giảm xuống còn khoảng 15-17 thì hô hấp của vi sinh vật thấp và ổn định. Kết quả phân tích cho thấy, tỉ lệ C/N của các nghiệm thức trước ủ và sau khi ủ khác biệt nhau có ý nghĩa thống kê 5% Từ minh chứng mô hình thí nghiệm đã cho thấy: Nghiệm thức 25/1 có tỉ lệ C/N thấp nhất, sau khi đó sẽ tới nghiệm thức C/N0/1, tỉ lệ C/N cao nhất là ở nghiệm thức C/N5/1.
- Sau khi thực hiện quá trình, ta có kết quả phân tích tỉ số C/N của các hỗn hợp sau khi kết thúc thí nghiệm sẽ chỉ thị cho biết tốc độ phân huỷ của từng khối ủ Tỉ số C/N sau quá trình ủ càng thấp tương ứng với mức độ phân huỷ các hợp chất hữu cơ càng mạnh.
Bảng 2 Tỉ lệ C/N của các nghiệm thức trước ủ và sau ủ
Nguồn: Trường Đại học Đồng Tháp, tạp chí khoa học số 08, 04-2014
Chú ý: Trong cùng một hàng các chữ cái (a,b) giống nhau thì không khác biệt có ý nghĩa thống kê 5% qua phép thử T-test.
Hình 4 Tỉ lệ C/N sau ủ kỵ khí 84 ngày
- Trong quá trình ủ kỵ khí với thời gian ủ là 84 ngày, tỉ lệ C/N giữa các nghiệm thức biến động trong khoảng từ 12,60 ± 0,60 đến 14,98 ± 0,48 (Hình 4), giữa các nghiệm thức cho thấy được sự khác biệt ý nghĩa về mặt thống kê (p