nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ kỵ khí kết hợp hiếu khí sử dụng vật liệu đệm pumice

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE S K C 0 9 MÃ SỐ: T2010 - 73 S KC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE MÃ SÔ: T2010-73 THAM GIA ĐỀ TÀI: Hoàng Thị Tuyết Nhung Trần Quang Khải Phạm Thị Thùy An Tp Hồ Chí Minh, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE MÃ SÔ: T2010-73 THAM GIA ĐỀ TÀI: Hoàng Thị Tuyết Nhung Trần Quang Khải Phạm Thị Thùy An Tp Hồ Chí Minh, 2011 TÓM TẮT Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bể kỵ khí bám dính ngược dòng nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu ưu điểm khả xử lý đạt hiệu cao, chịu tải trọng cao, ổn định có khả chịu mức độ chất độc hại cao Tuy nhiên, vật liệu bám dính vấn đề cần nghiên cứu, nhiều nhà nghiên cứu đưa loại vật liệu bám dính khác dựa đặc tính bền, nhẹ, nhiều lỗ rỗng xốp, bề mặt nhám để vi sinh vật cót thể dễ dàng bám tạo màng Do vậy, đề tài nghiên cứu việc sử dụng vật liệu đá pumice bể kỵ khí ngược dòng để nâng cao hiệu xử lý nước thải hàm lượng hữu cao Mô hình vận hành xử lý nước thải chăn nuôi heo COD 2000 - 4000 mg/l mô hình pilot 10 lít tải trọng 1.5 ; ; 3, kgCOD/m3/ngày đạt kết 90% tải trọng 1,5 kgCOD/m3/ngày Đồng thời đạt hiệu 87% tải trọng 3; 82% tải trọng tải trọng hiệu khử COD 80% Ngoài ta, hiệu khử SS VSS cao, với SS đạt 90% VSS đạt 70-80% N-NH4 tăng mô hình đến 50% Ngoài đề tài đánh giá khả xả thải nước thải chăn nuôi heo việc kết hợp mô hình kỵ khí có vật liệu bám dính pumice mô hình hiếu khí cho thấy tiêu COD, SS đầu đạt mức xả thải, riêng tiêu Nito hiệu chưa tốt MỤC LỤC Tóm tắt Mục lục Danh mục hình Danh mục bảng Danh mục thuật ngữ viết tắt CHƯƠNG : PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nội dung ý nghĩa đề tài 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 1.2.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.2.5 Ý nghĩa khoa học tính đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết bể kỵ khí có giá thể 2.2 Lý thuyết vật liệu đệm pumice 11 2.2.1 Khái niệm pumice 11 2.2.2 Một số ứng dụng 12 2.3 Một số nghiên cứu điển hình nước 13 2.4 Tổng quan nước thải chăn nuôi heo Tp Hồ Chí Minh 14 2.4.1 Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo thành phố Hồ Chí Minh 14 2.4.2 Thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi heo 14 2.4.3 Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo 16 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương pháp tiến hành thực nghiệm 17 3.1.1 Cách tiếp cận 17 3.1.2 Phương pháp nghiên cứu 17 3.1.3 Phương pháp phân tích tiêu 17 3.2 Mô tả mô hình nguyên vật liệu sử dụng 18 3.2.1 Nguyên vật liệu sử dụng 18 3.2.2 Tiến trình thực 19 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN 4.1 Kết thí nghiệm 22 4.1.1 Giai đoạn thích nghi 22 4.1.2 Giai đoạn vận hành mô hình 25 4.1.3 Giai đoạn kết hợp hiếu khí 4.2 Nhận xét 32 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận 33 5.2 Kiến nghị 33 Tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 2.1 Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên phức chất hữu 2.2 Các bước chuyển hóa phức chất hữu thành metan 2.3 Đá pumice 12 3.1 Cấu trúc đá pumice 18 3.2 Mô hình bể kỵ khí ngược dòng có vật liệu bám dính pumice 20 4.1 Đồ thị biểu diễn COD giai đoạn khởi động 22 4.2 Đồ thị biểu diễn pH giai đoạn khởi động 23 4.3 Đồ thị biểu diễn N-NH4 giai đoạn khởi động 24 4.4 Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian 25 4.5 Đồ thị biểu diễn hiệu khử COD theo thời gian 26 4.6 Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian 27 4.7 Đồ thị biểu diễn VSS theo tải trọng 28 4.8 Đồ thị biểu diễn % khử COD % khử VSS 29 4.9 Đồ thị biểu diễn N-NH4 biến thiên theo thời gian 29 4.10 Mối quan hệ pH % tăng N-NH4 30 4.11 Đồ thị biểu diễn độ kiềm pH đầu vào, đầu 31 4.12 Biểu diễn pH vào mô hình 33 4.13 Biểu diễn SS vào mô hình 34 4.14 Biểu diễn COD vào mô hình 35 4.15 Biểu diễn NH3 vào mô hình 36 4.16 Nitrate 36 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang 2.1 Thành phần đặc điểm đá pumice 12 2.2 Thành phần tính chất hóa lý nước thải chăn nuôi heo 16 3.1 Các phương pháp phân tích thiết bị phân tích 17 3.2 Tính chất nước thải chăn nuôi heo 19 4.1 Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo 26 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Anaerobic Quá trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí Anammox Oxi hóa ammonia điều kiện kị khí BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học F/M Tỷ lệ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ/lượng vi sinh vật, vi khuẩn HRT Thời gian lưu nước thủy lực MLSS Tổng chất rắn lơ lửng hệ bùn lỏng MLVSS Tổng chất rắn bay hệ bùn lỏng N-NH Nitơ ammonium SRT Thời gian lưu bùn SS Chất rắn lơ lửng SVI Chỉ số thể tích bùn TDS Tổng chất rắn hòa tan TKN Tổng nitơ Kjedahl TS Tổng chất rắn hòa tan UASB Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dòng chảy ngược VFA Acid béo bay CHƯƠNG PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, tình hình chăn nuôi heo thành phố Hồ Chí Minh tỉnh thành phát triển mạnh mẽ hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ hộ gia đình sở chăn nuôi quy mô lớn Song song đó, chất thải từ trình chăn nuôi heo đáng ngại nhà quản lý môi trường Nước thải chăn nuôi heo có tính chất ô nhiễm cao, nồng độ COD, BOD, Nito Photpho cao khiến cho nước thải chăn nuôi heo phải sử dụng công nghệ xử lý tương đối phức tạp Xử lý kỵ khí qua lớp vật liệu đệm phương pháp xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao ý nhiều năm gần Do hình thành màng vi sinh lớp vật liệu đệm giúp cho nước thải tiếp xúc với vi sinh vật dễ dàng hơn, khả amoni hóa cao so với số bể kỵ khí đơn giản khác Nhiều đề tài nghiên cứu bể kỵ khí có vật liệu đệm khác xơ dừa, vật liệu nhựa, sứ, … Qua tìm hiểu ưu điểm đá pumice độ xốp rỗng cao Đề tài sử dụng làm giá thể để màng vi sinh vật kỵ khí bám vào lỗ xốp rỗng pumice Nghiên cứu sử dụng đá pumice làm vật liệu đệm bể kỵ khí ngược dòng xử lý nước thải chăn nuôi heo vấn đề mong muốn đạt kết tốt để ứng dụng thực tế bảo vệ môi trường 1.2 NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3.1.3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu khả xử lý nước thải chăn nuôi heo mô hình bể kỵ khí sử dụng vật liệu đệm pumice Nghiên cứu khả đạt QCVN kết hợp mô hình kỵ khí với hiếu khí Luận văn thạc sĩ 27 % mg/l OLR = OLR=3 OLR=4 OLR=5 Day Hình 4.5: Đồ thị biến thiên COD theo thời gian Ở đầu tải trọng, có sụt giảm COD đáng kể - Tải trọng kgCOD/m3/ngày, khử COD đạt hiệu từ 87% lên đến 92% - Tải trọng kgCOD/m3/ngày, hiệu khử COD giảm từ 92% xuống 87% giữ mức ổn định (thấp tải trọng 1.5 kgCOD/m3/ngày) - Tải trọng kgCOD/m3/ngày, hiệu khử COD giảm từ 87% xuống 82%, hiệu cao nên tiếp tục vận hành tải trọng cao - Tải trọng kgCOD/m3/ngày, hiệu khử COD giảm từ 82% xuống 80%, hiệu khử COD giảm không đáng kể nên mô hình nên tiếp tục trì tải trọng cao 4.1.3.3 SS VSS a Biến thiên SS theo thời gian SS xác định đầu vào suốt thời gian vận hành mô hình, hàm lượng SS đầu vào, đầu phần trăm loại bỏ biểu biễn đồ thị hình 4.7 Luận văn thạc sĩ 28 Đồ thị cho thấy SS đầu vào dao động tương đối lớn từ 400 mg/l đến 900 mg/l biến thiên không ổn định Tuy nhiên, hàm lượng SS đầu nhỏ giữ mức ổn định cho thấy bể hoạt động tốt OLR = OLR=3 OLR=4 OLR=5 Hình 4.6: Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian Đối với bể lọc kỵ khí, hàm lượng SS loại bỏ đạt từ 70-80% Trong đó, vận hành với bể kỵ khí ngược dòng có sử dụng vật liệu đệm pumice nghiên cứu đạt hiệu khử SS cao Hiệu khử SS đạt 90% Tuy trình vận hành SS đầu có biến động thay đổi tải trọng % xử lý đạt 80%, 90% thời gian tải trọng ổn định b Biến thiên TS VSS theo thời gian Xác định tỷ lệ VSS/TS đầu vào tải trọng ta số liệu sau: Luận văn thạc sĩ 29 Bảng 4.1: Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo đầu vào TT VSS/TS kgCOD/m 3ngày kgCOD/m3ngày kgCOD/m 3ngày kgCOD/m3ngày 0.795 0.791 0.807 0.79 0.8 0.79 0.79 0.8 Theo đồ thị, tỷ lệ VSS/TS dao động nhỏ đạt mức ổn định Do đó, ta sử dụng tỷ lệ VSS/TS trung bình 0.794 Sinh khối trôi khỏi bể thể VSS đầu VSS sinh khối sinh bể, sinh khối VSS có dòng vào Đồ thị (hình 4.7) thể hàm lượng VSS đầu vào, đầu mô hình tính theo tỷ lệ từ hàm lượng TS, có sai số nhìn chung, tỷ lệ VSS/TS xác định đánh giá hàm lượng chất rắn nước thải chăn nuôi heo mg/l % Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn VSS theo tải trọng Đầu vào nước thải chăn nuôi heo có hàm lượng VSS dao động không ổn định ngày khác Tuy nhiên, với đầu vào biến động đầu bể UASB lại tương đối ổn định, dao động nhỏ từ 300 mg/l đến 400 mg/l tải trọng cao Hiệu loại bỏ VSS tương đối cao 70 – 80% cho thấy vi sinh vật Luận văn thạc sĩ 30 sử dụng thức ăn trình phát triển mô hình thí nghiệm Điều tương ứng với hiệu khử COD Hình 4.8: Mối quan hệ %COD removal %VSS removal 4.1.3.4 N-NH4 OLR = OLR=3 OLR=4 OLR=5 Day Hình 4.9 : Đồ thị biểu diễn N-NH4 biến thiên theo thời gian Hình 4.9 biểu diễn cho thấy ammonia đầu vào % tăng N-NH4 trình vận hành bể qua tải trọng Đồ thị cho thấy N-NH4 vào có hàm lượng dao động không lớn từ 17 mg/l đến 41 mg/l, tuỳ theo biến động nước thải Luận văn thạc sĩ 31 đầu vào mà hàm lượng N-NH4 thay đổi khác Trong đó, đầu ammonia tăng cao 40% Sau tăng cao giai đoạn khởi động, hàm lượng N-NH4 đầu bị giảm đột ngột tăng tải trọng lên kgCOD/m3/ngày Tuy nhiên, N-NH4 đầu nhanh chóng tăng lại qua tải trọng giữ ổn định tải trọng khác Trong trình phân hủy kỵ khí Nitơ hữu bị phân hủy tạo thành N-NH4, có tăng cao N-NH4 Chính vậy, nitơ ammonia sau xử lý cao hiệu đạt bể lớn N-NH4 sinh nhiều chuyển hóa thành NO2- NO3- trình thiếu khí kỵ khí tiếp sau bể UASB OLR = OLR=3 OLR=4 OLR=5 Day Hình 4.10: Mối quan hệ pH % tăng N-NH4 Đồ thị (hình 4.10) cho thấy pH % tăng Nitơ ammonia có mối tương quan chặt chẽ Khi pH đầu tải trọng tăng đến gần % N-NH4 tăng gần 60% Và pH giảm biến động tải trọng N-NH4 giảm thấp 4.1.3.5 Độ kiềm Quá trình kỵ khí chịu ảnh hưởng độ kiềm Trong giai đoạn acid hóa độ kiềm bị giảm, giai đoạn methane hóa làm cho độ kiềm tăng lên Khi pH bể giảm, độ kiềm cao môi trường đệm giữ cho pH không tụt nhanh, ảnh hưởng đến hiệu xử lý Độ kiềm thích hợp cho phân huỷ kỵ khí Luận văn thạc sĩ 32 1000 – 3000 mg/l để đạt hiệu tốt làm chất đệm ngăn cản biến động pH (Droste, 1997; Henze et al, 1997; Gerardi, 2003) Khi độ kiềm giảm mức vận hành bình thường dấu hiệu cho thấy trình thất bại tiếp biến động pH Tỷ lệ VFA: Alk nên từ 0.1 – 0.2 (Blonskaja et al, 2003) Độ kiềm dòng vào cho phép trung hòa acid béo bay tự do, ngăn cản pH giảm xuống Độ kiềm nước thải đầu vào dao động khoảng 987 – 1075 mg/l Trong đó, nước thải đầu có độ kiềm tăng cao nhiều, dao động từ 1900 – 2200 mg/l Ở trọng đầu, yếu tố khách quan nên không xác định độ kiềm Độ kiềm xác định tải trọng Tuy nhiên kết cho thấy độ kiềm đầu tăng cao so với đầu vào nằm khoảng 1000 – 3000 mg/l xử lý kỵ khí hiệu OLR=4 OLR=5 Hình 4.11 : Đồ thị biểu diễn độ kiềm pH đầu vào, đầu Trong đồ thị (hình 4.11) cho thấy pH độ kiềm có mối tương quan, pH đầu tăng độ kiềm tăng Tuy nhiên, nhìn chung pH độ kiềm bể tương đối ổn định cho thấy bể hoạt động hiệu tải trọng khảo sát Luận văn thạc sĩ 33 4.1.3 Giai đoạn kết hợp hiếu khí Trong phần trên, xử lý nước thải chăn nuôi heo công nghệ kỵ khí ngược dòng có vật liệu đệm pumice (A1) cho thấy hiệu khử COD cao chưa đạt tiêu chuẩn đầu Do đó, mô hình hiếu khí (A2) bổ sung nhằm nghiên cứu nồng độ nước thải đầu đạt yêu cầu xả thải môi trường hay không Trong phần kết hợp với hiếu khí, mô hình kỵ khí nâng lên tải trọng cao hơn, 9kgCOD/m3.ngày, mô hình hiếu khí vận hành tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày 2,5 kgCOD/m3.ngày Trong bể hiếu khí, không kiểm soát lượng oxy cho vào xác nên kiểm soát nồng độ DO sau lắng > mg/l Nồng độ bùn hoạt tính cho vào bể đạt khoảng 3500 mg/l thích hợp cho xử lý hiếu khí 4.1.3.1 pH Hình 4.12: Biểu diễn pH vào mô hình Trong bể A1 pH đầu vào dao động 6,7 – thích hợp cho vi sinh vật kỵ khí tham gia vào trình lên men hóa Sau trình lên men, pH mô hình cao lên 7,2 – 7,6 pH bể hiếu khí thích hợp 6,5 đến 8,5 Trong hình 4.13 pH đầu bể A2 đạt từ 7,4 – 7,85 nằm giới hạn vi sinh vật hiếu khí phát triển tốt Luận văn thạc sĩ 34 Trong bể A2, pH vào cao điều kiện thích hợp cho vi sinh vật nitrate hóa hoạt động mạnh (vi sinh vật Nitrate hóa hoạt động mạnh pH 7,7 – 8,6), pH < vi khuẩn phát triển chậm lại 4.1.3.2 Chất rắn lơ lửng (MLSS) Trong bể A1, hiệu suất xử lý MLSS tương đối cao, đạt 80 – 86%, đầu bể A1 dao động khoảng 100 – 190 mg/l vượt quy chuẩn Việt Nam Trong bể A2, hiệu suất xử lý MLSS tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày cao 65% tải trọng 2,5 kgCOD/m3.ngày giảm xuống 52 – 60% Tuy nhiên, lượng MLSS không giữ lại < 45mg/l tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày (thấp QCVN 24:2009 loại A) 80% tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày > 70% tải trọng 2,5 kgCOD/m3.ngày Kết nồng độ COD đầu bể A2 tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày