Tóm tắt dự thảo Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng

Luận án nghiên cứu để xây dựng được hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 01-79:2011/BNNPTNT loại B mà không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý, xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng để vừa đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này vừa giảm thiểu tắc nghẽn màng. Mời các bạn cùng tham khảo.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TÓM TẮT DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2016

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Vào hồi …… giờ …… ngày …… tháng …… năm 20

Có thể tìm hiểu Luận án Tiến sĩ tại:

 Thư viện Quốc gia Việt Nam

 Trung tâm thông tin Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của ngành chăn nuôi tại Việt Nam, đã góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, ngành chăn nuôi đã và đang làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư và hệ sinh thái tự nhiên do nước thải từ các trang trại đưa vào nguồn tiếp nhận nhưng chưa qua xử lý hoặc chỉ xử lý bằng các biện pháp đơn lẻ, không hiệu quả, không đạt tiêu chuẩn xả thải Trong số đó, phải kể đến nguồn nước thải từ các trang trại chăn nuôi lợn với hàm lượng của các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng nitơ, phôtpho và vi sinh vật gây bệnh cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả thải cho phép Trên thực tế, ở nước ta cho đến nay vấn đề xử lý nguồn nước thải ô nhiễm này thường bị bỏ qua Do đó, việc

xử lý một khối lượng lớn nước thải phát sinh từ ngành chăn nuôi gia súc là nhu cầu cấp thiết của ngành công nghiệp môi trường

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như: phương pháp sinh học (công nghệ bùn hoạt tính, phân hủy yếm khí, thực vật thủy sinh); phương pháp hóa lý; phương pháp đất ngập nước; đã được nghiên cứu, áp dụng Các phương pháp này hoặc là gây tốn kém về chi phí hóa chất, hoặc là yêu cầu thời gian lưu nước dài (20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn Ngoài ra, do nồng độ các thành phần nitơ và phôtpho trong nước thải chăn nuôi quá lớn, nên hầu như các phương pháp này vẫn chưa thể xử lý triệt để được các chất ô nhiễm này

Tại các nước phát triển việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như chăn nuôi đã được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua Để tăng hiệu quả

xử lý đối với các nguồn thải này, việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là công nghệ MBR) đang được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên thế giới Dựa trên khả năng tách loại rắn – lỏng rất tốt của màng nên làm tăng được nồng độ vi sinh trong bể xử lý, đặc biệt đối với các vi khuẩn

có tốc độ sinh trưởng thấp như Nitrosomonas, Nitrobacter (oxy hóa ammoni thành NOx

), dẫn đến có thể tăng hiệu suất xử lý nitơ cao hơn 60% so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống, đồng thời màng cũng có thể loại bỏ vi khuẩn gần như tuyệt đối (Urbain và ncs, 1996; Kim và ncs, 2008) Ngoài ra, công nghệ này có khả năng xử lý BOD5, COD, SS và TP trong nước thải chăn nuôi lợn, với hiệu suất đạt được rất cao (Kim và ncs, 2005) Tuy nhiên, do tải lượng các chất ô nhiễm trong nguồn nước thải chăn nuôi đầu vào thường xuyên thay đổi, cho nên rất khó kiểm soát được sự ổn định chất lượng nước đầu ra sau quá trình xử lý Bên cạnh

-đó, việc khắc phục hiện tượng tắc nghẽn màng lọc, thường xảy ra khi vận hành hệ thống MBR, đòi hỏi màng phải được làm sạch bằng hóa chất hoặc thay mới (Judd, 2006; DSTI, 2009) Do đó, làm cho giá thành vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ này tăng cao

Chính vì vậy, để có thể bố trí các đơn nguyên phù hợp trong hệ thống công nghệ MBR và xác định được các điều kiện vận hành tối ưu nhằm khắc phục được các tồn tại trên, để xử lý hiệu quả nước thải chăn

nuôi khi áp dụng công nghệ này, thì việc lựa chọn và thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước thải

chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng” là rất cần thiết Các kết quả của nghiên cứu này

sẽ góp phần trong việc tìm kiếm phương pháp hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, góp phần phát triển công nghiệp hóa ngành chăn nuôi theo Quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày

16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng được hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 01-79:2011/BNNPTNT loại B mà không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý;

- Xác định được các điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng để vừa đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải đối với nguồn nước thải này vừa giảm thiểu tắc nghẽn màng

3 Luận điểm khoa học

Nghiên cứu này được đặt ra, dựa trên một số luận điểm sau:

- Nước thải chăn nuôi lợn là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, phôtpho và vi sinh vật gây bệnh Trước đây, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng các phương pháp như: phương pháp sinh học, phương pháp keo tụ, phương pháp hóa học, sử dụng hệ thống đất ngập nước, … tuy nhiên các phương pháp này có hiệu quả xử lý chưa cao, thời gian vận hành kéo dài, sử dụng diện tích đất lớn;

- Ở Việt Nam, công nghệ lọc màng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải như nước thải bệnh viện, nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp, … tuy nhiên hầu hết mới được thử nghiệm và sử dụng trong các trường hợp có hàm lượng chất rắn lơ lửng và các chất ô nhiễm thấp Đối với các nguồn nước thải có tải trọng

ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi lợn thì các nghiên cứu sử dụng công nghệ tiềm năng này còn rất khiêm tốn;

- Việc kết hợp cả phương pháp vật lý, sinh học và lọc màng sẽ khắc phục được các hạn chế mà các phương pháp khác còn tồn tại không giải quyết được như: xử lý được cả các hợp chất hữu cơ hòa tan, nitơ, phốtpho, chất rắn lơ lửng cũng như các loại vi khuẩn gây bệnh một cách hiệu quả; thời gian lưu ngắn; không cần bể lắng bùn; không sử dụng hóa chất cho quá trình xử lý; giảm thiểu các sản phẩm ô nhiễm thứ cấp đồng thời có thể tiết kiệm chi phí cho quá trình xử lý

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng sẽ là định hướng tiềm năng

áp dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Phân tích, đánh giá đặc tính nước thải chăn nuôi khu vực nghiên cứu và lắp ghép môđun

màng lọc;

Nội dung 2: Khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tắc nghẽn màng lọc (vật liệu màng,

hình thái môđun màng, năng suất lọc, cường độ sục khí và nồng độ bùn hoạt tính trong bể tích hợp màng lọc) trên các môđun màng lọc đã được lắp ghép;

Nội dung 3: Khảo sát sự thích nghi và đánh giá đặc tính bùn hoạt tính với nước thải chăn nuôi;

Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng để xử lý nước thải

chăn nuôi quy mô phòng thí nghiệm và khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện vận hành hệ thống (lưu lượng nước thải đầu vào, tỷ lệ dòng tuần hoàn nước từ bể hiếu khí về bể thiếu khí và đặc tính nước thải đầu vào)

đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải;

Nội dung 5: Nghiên cứu điều kiện làm sạch màng lọc;

Nội dung 6: Tính toán sản lượng bùn dư thải bỏ trong bể hiếu khí tích hợp màng lọc

5 Ý nghĩa của đề tài:

5.1 Ý nghĩa khoa học

 Kết quả thực hiện đề tài đã chứng tỏ việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng trong hệ thống xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi lợn là rất khả quan và là cơ sở khoa học để triển khai thực tế;

 Xác định được chế độ vận hành hệ thống sinh học kết hợp lọc màng giúp giảm thiểu tác nghẽn màng trong quá trình vận hành, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ màng ứng dụng trong xử lý nước thải

6 Đóng góp mới của đề tài

- Đã xây dựng được hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng tại Việt Nam, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 01-79:2011/BNNPTNT loại B;

- Xác định được chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp lọc màng, vừa đáp ứng tiêu chuẩn xả thải vừa giảm thiểu tắc nghẽn màng

7 Kết cấu của luận án

Luận án được bố cục thành 3 chương và phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Luận án được trình bày trong 131 trang A4, 12 bảng biểu, 45 hình vẽ, danh mục 5 công trình khoa học của tác giả đã được công bố, 94 tài liệu tham khảo tiếng Việt và tiếng Anh

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình phát triển chăn nuôi tại Việt Nam

Trong những năm vừa qua, ngành chăn nuôi trong nước luôn giữ mức tăng trưởng cao và ổn định

Về hình thức chăn nuôi, hiện nay, chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ hộ gia đình vẫn chiếm tỷ trọng lớn khoảng

65 - 70% về số lượng và sản lượng Tuy nhiên, ngành chăn nuôi nước ta đang có những dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi quy mô lớn, trang trại, công nghiệp

1.2 Khối lượng và đặc tính nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật nuôi Chỉ tính riêng với chăn nuôi lợn, nếu trung bình lượng nước thải ra 25 lít/con lợn/ngày thì lượng nước thải ra một năm khoảng 85 triệu m3, một con số đáng kể (Trần Văn Tựa, 2015) Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao

Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi, qua kết quả khảo sát của Viện KH&CN Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2009) nhận thấy, giá trị COD, TN, TP, SS và coliform trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, với các giá trị tương ứng là 2500 – 12120 mgO2/L, 185 – 4539, 28 - 831,

190 – 5830 mg/L và 4x104 - 108 MPN/100 mL Trong khi đó, kết quả về chất lượng nước thải tại trang trại Hòa Bình Xanh (xã Hợp Hòa, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình) với khoảng 3000 con lợn cũng cho thấy các thông số ô nhiễm như COD, NH4

+, TP và SS tương ứng lần lượt là 5630 ± 1032, 544 ± 57, 60 ± 18 và 4904 ±

901 (Cao Thế Hà và ncs, 2015) Các giá trị ô nhiễm này đều không đạt tiêu chuẩn Ngành về vệ sinh nước

thải chăn nuôi 10 TCN 678:2006 và vượt gấp nhiều lần tiêu chuẩn khắt khe hơn là Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải chăn nuôi gia súc (QCVN 01-79:2011/BNNPTNT)

1.3 Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường

Phân và nước thải từ vật nuôi chứa nhiều thành phần N, P và các VSV gây hại, không những gây ô nhiễm không khí mà còn làm ô nhiễm đất, làm rối loạn độ phì đất, mặt nước và cả nguồn nước ngầm Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng (Đặng Đình Kim và ncs, 2005)

1.4 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới

Việc xử lý nước thải chăn nuôi đã được nghiên cứu triển khai ở các nước phát triển từ cách đây vài chục năm Các công nghệ áp dụng cho xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như chăn nuôi rất đa dạng nhưng trong đó chủ yếu là các phương pháp sinh học do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện tự nhiên (Sirianuntapiboon và ncs, 2006)

Công nghệ đất ngập nước là công nghệ xử lý nước thải áp dụng các điều kiện tự nhiên, thân thiện môi trường Công nghệ đất ngập nước đạt được những kết quả tốt trong việc xử lý COD, BOD5, TSS, hiệu suất

đạt được khá cao (trên 90%) (Kadlec và Knight, 1995) Tuy nhiên, các thành phần dinh dưỡng như N, P, hệ thống vẫn chưa xử lý được triệt để và cần phải có thời gian lưu nước dài (Vymazal và Kröpfelová, 2008)

Ngoài ra, công nghệ này còn có nhược điểm là đòi hỏi diện tích đất lớn, mà điều này chắc chắn là không

mong muốn đối với các chủ trang trại, thậm chí là bất khả thi trong tình hình áp lực về đất đai hiện nay

Kết tủa struvite với nồng độ MgSO4 1000 – 1500 mg/L, trong môi trường kiềm có thể loại bỏ đồng thời cả amoni và phôtphat Hiệu suất loại bỏ phôtphat cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 9, trong khi đó, hiệu suất loại bỏ amoni cao nhất đạt được tại giá trị pH khoảng 11 (Liao và ncs, 1993) Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra sản phẩm phân bón Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là lượng MgSO4 sử dụng quá lớn, làm tăng chi phí xử lý

Ngoài ra, xử lý P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp keo tụ đã được sử dụng phổ biến, dựa trên nguyên tắc kết tủa phôtphat (đơn và một phần loại trùng ngưng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có độ tan thấp và chúng được tách dưới dạng chất rắn

10Ca2+ + 6PO4

+ 2OH-  Ca10(PO4)6(OH)2

3-Al3+ + HnPO4

3-n  AlPO4 + nH+

Fe3+ + HnPO4

3-n  FePO4 + nH+Các hóa chất keo tụ phổ biến là muối nhôm Al2(SO4)3, vôi Ca(OH)2, muối sắt FeSO4, FeCl2 và ZrCl4 Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này đó là làm tăng chi phí do phải xử lý lượng bùn kết tủa và chi phí hóa chất sử dụng

Từ lâu kỹ thuật phân hủy yếm khí đã được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi lợn Phương pháp này cho thấy hiệu quả xử lý và kinh tế hơn các phương pháp truyền thống như đầm phá, chôn lấp hoặc hóa lý, hệ thống hiếu khí (Wrigley và ncs, 1992) Nhìn chung, việc sử dụng phương pháp sinh học yếm khí đã làm giảm thiểu đáng kể BOD5, COD và SS trong nước thải chăn nuôi Tuy nhiên, các thành phần gây ô nhiễm môi trường như N, P vẫn còn ở mức cao và cần phải được xử lý tiếp trước khi thải ra môi trường

Một số mô hình xử lý hiếu khí và hiếu khí kết hợp đã được nghiên cứu áp dụng trong việc xử lý nước thải chăn nuôi như hệ thống aeroten, hệ aeroten hoạt động gián đoạn SBR, hệ thiếu khí kết hợp hiếu khí, yếm khí kết hợp hiếu khí (AO) và hệ yếm khí, thiếu khí kết hợp hiếu khí (A2O) Qua các kết quả nghiên cứu nhận thấy nhược điểm của các phương pháp là là khi tải lượng chất ô nhiễm đầu vào tăng cao thì nước thải sau xử

lý không xử lý được triệt để chất ô nhiễm Ngoài ra, việc tách bùn rất khó thực hiện, đặc biệt là khi nồng độ BHT trong bể lớn, và bùn dễ bị rửa trôi gây xáo trộn mật độ vi sinh trong bể, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý

Để tăng hiệu quả xử lý đối với các nguồn thải chăn nuôi thì việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp lọc màng (gọi tắt là công nghệ MBR) đang được coi là giải pháp và hướng đi phù hợp hiện nay trên thế giới

Công nghệ MBR đã được ứng dụng trong hệ thống: thiếu khí – hiếu khí nối tiếp hiếu khí - hiếu khí Kết quả

trong 6 tháng hoạt động, trung bình loại bỏ BOD5, COD, SS, TN, TP của hệ thống tương ứng là 99,9; 92,0; 99,9; 98,3 và 82,7 % với các giá trị đầu vào dao động 8690 – 17190, 2125 – 8375, 370 – 17650, 2670 – 4730

và 34 – 192 (Kim và ncs, 2005) hệ thống bể yếm khí lọc dòng bùn ngược (AUBF) kết hợp bể MBR Kết quả thu được hiệu quả xử lý COD trung bình đạt 91 % với tải lượng COD đầu vào 0,5 – 3 kgCOD/m3

.ngày Quá trình nitrat hóa xảy ra gần như hoàn toàn, hiệu suất loại bỏ NH4

+-N đạt trên 98 % với tải lượng NH4

+-N đầu vào 0,65 kg NH4

+-N/m3.ngày Nhưng do nước thải chăn nuôi lợn sử dụng trong nghiên cứu có tỷ số TCOD/TKN = 1,5 – 4,0 thấp (< 5) nên hiệu suất xử lý nitrat chỉ đạt 60 % khi làm việc với tỷ lệ dòng tuần

hoàn 300 % (Shin và ncs, 2005) và bể MBR kết hợp bể nitrat hóa Kết quả thu được cho thấy tỷ lệ tuần hoàn

300% đạt được hiệu quả tốt nhất Hiệu suất loại bỏ TN của hệ AO2 là 94 %, tương ứng đầu ra còn 238 mg/L, còn hệ AO chỉ đạt 56 %, tương ứng đầu ra còn 539 mg/L Đặc biệt, hiệu suất loại bỏ NH4

+

là 68% và NO3

là

37 % tăng so với hệ AO (Kim và ncs, 2008) sử dụng màng vi lọc polyethylene sợi rỗng, kích thước lỗ 0,4

µm, đặt ngập trong bể phản ứng gián đoạn SBR Với COD, BOD5 và NH3-N đầu vào là 1150 mg/L, 683 mgO2/L và 154 mg/L, hiệu quả loại bỏ COD, BOD5 và NH3-N của hệ đạt được tương ứng 96,0, 97,0 và 93,2% Tuy nhiên, khi tăng nồng độ đầu vào COD, BOD5 và NH3-N lên tương ứng 2050 mg/L, 1198 mgO2/L và 248 mg/L đã dẫn đến giảm hiệu quả xử lý Hiệu quả loại bỏ COD, BOD5 và NH3-N đã giảm tương ứng từ 96,0 xuống 92,0%, 97,0 xuống 92,7% và 93,2 xuống 69,5% (Kornboonraksa và Lee, 2009)

Như vậy, các kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn trên

thế giới mặc dầu đã đạt được hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm BOD5, COD, SS rất cao Tuy nhiên, các nghiên cứu đều chưa thể xử lý triệt để các thành phần N và P, và chỉ mới đang dừng lại ở xử lý NH4

+ Do đó, cần nghiên cứu khả năng kết hợp hệ MBR với các giai đoạn sinh học khác như yếm khí, thiếu khí để đạt hiệu suất xử lý N và P cao hơn và ổn định được chất lượng nước sau xử lý

1.4.2 Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi tại Việt Nam

Hiện nay có thể nói ở nước ta chưa có quy trình hoàn thiện nào được công bố để xử lý nước thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn xả thải Nước thải chăn nuôi lợn từ các trang trại chủ yếu mới chỉ được xử lý bằng hầm khí sinh học (biogas) và hồ sinh học Các phương pháp này mới chỉ xử lý được chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng, tuy nhiên yêu cầu thời gian lưu dài (20 – 30 ngày) và sử dụng diện tích đất lớn Các phương pháp xử lý khác như phương pháp sử dụng thực vật thủy sinh, yếm khí UASB, yếm khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí bằng aeroten đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu (Đặng Thị Hồng Phong và ncs, 1997; Đặng Xuyến Như và Phạm Hương Sơn, 2005; Nguyễn Tuấn Phong và Dương Thúy Hoa, 2005; Trương Thanh Cảnh, 2010; Nguyễn Hoài Châu và Trần Mạnh Hải, 2010) và tỏ ra có hiệu quả nhưng hầu hết mới chỉ dừng lại ở thực nghiệm, đề xuất về lý thuyết hoặc ứng dụng nếu có chỉ ở qui mô nhỏ lẻ Đặc biệt, việc xử lý chất ô nhiễm N và P hầu như chưa được quan tâm trong khi đây là yếu tố gây phú dưỡng

1.5 Phương pháp sinh học kết hợp với lọc màng

1.5.1 Màng lọc và quá trình lọc màng

- Màng lọc: Màng lọc dùng trong xử lý nước và nước thải là một tấm vật liệu hoạt động như một hàng rào chắn đối với dòng chảy của một hỗn hợp chất lỏng và các cấu tử trong đó (Judd, 2006) Mục đích của quá trình lọc màng là nhằm tách các tạp chất ra khỏi môi trường nước

- Vật liệu màng : Vật liệu màng có 2 loại chính là polyme và gốm Màng lọc kim loại cũng có nhưng chúng được dùng cho những ứng dụng rất đặc biệt mà không liên quan đến công nghệ MBR Màng gốm có đặc điểm giòn, dễ vỡ và có chi phí đắt hơn màng polyme, cho nên hiện nay các loại màng polyme được dùng phổ biến nhất

- Cấu hình màng: Có 5 cấu hình chính hiện đang được sử dụng trong quá trình màng: Dạng tấm phẳng, dạng sợi rỗng, dạng ống, dạng ống mao quản, và dạng cuộn xoắn Trong MBR thường sử dụng cấu hình màng dạng tấm phẳng, dạng sợi rỗng và dạng ống

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến màng và quá trình lọc màng

Các yếu tố ảnh hưởng đến màng và quá trình lọc màng gồm nhiệt độ, áp suất, pH, kích thước lỗ màng, bản chất và nồng độ chất ô nhiễm, nồng độ sinh khối trong bể chứa màng, độ nhớt và chế độ sục khí…Xác định được các yếu tố ảnh hưởng và vận hành hệ ở điều kiện tối ưu sẽ giúp quá trình màng hoạt động được lâu dài

1.5.3 Chế độ hoạt động

Trong quá trình lọc, năng suất lọc có xu hướng giảm trong khi đó áp suất qua màng có xu hướng tăng lên do sự tăng trở kháng trong quá trình lọc gây ra bởi sự tích tụ các chất bẩn lên bề mặt màng lọc Bởi vậy, cùng một lúc rất khó kiểm soát được đồng thời cả 2 yếu tố này, do đó hệ thống lọc màng chỉ có thể duy trì hoạt động với một chế độ: hoặc là lựa chọn cố định áp suất qua màng hoặc là lựa chọn cố định năng suất lọc

1.5.4 Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc

Hiện tượng tắc nghẽn màng là quá trình mà trong đó các chất hòa tan hoặc các hạt bám trên bề mặt màng hoặc chui vào các lỗ màng làm cho năng suất lọc của màng suy giảm (Simon Judd, 2006) Có nhiều nguyên nhân gây ra tắc nghẽn màng như: cường độ sục khí trong bể màng, tính chất của nước thải đầu vào, thông số vận hành bể BHT (thời gian lưu bùn, thời gian lưu nước, năng suất lọc…) Để phục hồi màng hay làm sạch màng thường sử dụng hai giải pháp vật lý và hóa học

1.5.5 Công nghệ sinh học kết hợp lọc màng

Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng (gọi tắt là công nghệ MBR) là quá trình xử lý sinh học kết hợp với tách loại vật lý bằng màng lọc Công nghệ MBR bao gồm 2 giai đoạn chính trong một bể phản ứng,

đó là: giai đoạn sinh học và giai đoạn lọc màng Trong bể MBR, các quá trình sinh học phân hủy chất ô

nhiễm diễn ra tương tự như các bể BHT thông thường Sau khi qua giai đoạn xử lý sinh học, tiếp đến là giai

đoạn lọc qua màng Màng hoạt động nhờ vào áp lực hút do bơm tạo ra để đưa nước sạch qua màng và thải ra nguồn tiếp nhận Sinh khối được giữ lại trong bể nhờ khả năng tách loại của màng lọc Màng ở đây còn đóng vai trò như một giá thể cho VSV dính bám tạo nên lớp màng vi sinh, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, tăng

cường khả năng phân hủy sinh học

Ưu điểm của MBR hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường đó là thiết kế nhỏ gọn do không cần có

bể lắng cấp hai và sản phẩm bùn dư ít Do mật độ sinh khối trong bể phản ứng cao nên một mặt năng xuất xử

lý tăng khoảng 5-7 lần so với BHT; mặt khác cho phép lưu bùn lâu và phân huỷ bùn ngay trong bể phản ứng dẫn đến giảm lượng và chi phí xử lý bùn thải Một đặc điểm quan trọng của công nghệ MBR đó là màng lọc

có khả năng loại bỏ hoàn toàn các vi khuẩn gây bệnh

Hiện nay công nghệ MBR phổ biến được chia thành hai mô hình tùy theo cách bố trí màng lọc trong

hệ thống xử lý, gồm màng lọc bố trí bên ngoài và màng lọc ngập nước bên trong (Pierre Le-Clech, 2010)

1.5.6 Hiện trạng ứng dụng công nghệ lọc màng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, mặc dù công nghệ lọc màng mới được bắt đầu thử nghiệm trong một vài năm trở lại đây

và chủ yếu ứng dụng trong việc xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải bệnh viện Việc kết hợp công nghệ MBR với các công nghệ truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và tăng tỷ lệ tái

sử dụng nước thải, bước đầu đã cho thấy những kết quả khả quan Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ MBR

để xử lý các nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải chăn nuôi còn rất khiêm tốn

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nước thải chăn nuôi lợn

Mẫu nước thải được lấy tại trại chăn nuôi lợn quy mô nhỏ hộ gia đình thuộc xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội, với quy mô nuôi từ 70 – 100 con Nước thải được lấy tại hố thu gom sau thời gian rửa chuồng, trước khi xả ra cống chung Nước thải được tiền xử lý qua rây lọc có kích thước lỗ 0,5 mm để loại bỏ cặn rác thô trước khi sử dụng cho các nghiên cứu

2.1.2 Môđun màng lọc

Các loại vật liệu màng sử dụng trong nghiên cứu gồm: Polyvinylidene Fluoride (PVDF); Cellulose Acetate CA); CA biến tính; Polytetrafluoroethylene (PTFE) Các môđun màng lọc dạng tấm phẳng và dạng sợi rỗng được lắp ghép tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ

2.1.3 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu

- Nguồn vi sinh vật hiếu khí: được lấy từ bể nuôi BHT hiếu khí tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội BHT được nuôi bằng nước thải sinh hoạt, có tỷ số MLVSS/MLSS 0,71 – 0,79

- Nguồn vi sinh vật yếm khí và thiếu khí: sử dụng BHT tại phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ Vật liệu BHT được nuôi bằng nước thải sinh hoạt.

2.2 Phạm vi quy mô nghiên cứu

- Địa điểm lấy mẫu: xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội

- Thời gian lấy mẫu: 2 lần/tuần, mỗi lần khoảng 400 lít nước thải

- Các nghiên cứu và thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ Vật liệu trên các mô hình quy mô phòng thí nghiệm

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp như: Phương pháp điều tra thu thập tài liệu; Phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu và phân tích;

Phương pháp bố trí thí nghiệm:

- Xác định đặc tính nước thải chăn nuôi khu vực nghiên cứu Đánh giá chất lượng nước thải và so sánh với tiêu chuẩn nước thải chăn nuôi QCVN 01-79:2011/BNNPTNT

- Lắp ghép modun màng lọc dạng tấm phẳng và dạng sợi rỗng

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tắc màng:

Màng lọc được tích hợp bên trong bể có thể tích 50L (40 cm x 18 cm x 70 cm) Hệ thống sục khí được lắp đặt phía dưới môđun màng Cường độ sục khí được kiểm soát bằng van và lưu lượng kế; Áp suất qua màng được đo bằng đồng hồ đo áp suất (đồng hồ khí) Nước được hút qua màng ra ngoài nhờ bơm hút nên

áp suất qua màng là áp suất âm (trong luận án thể hiện giá trị áp suất bằng giá trị dương)

Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu màng lọc dạng tấm phẳng

Các loại vật liệu màng sử dụng để khảo sát là: PVDF, CA, CA biến tính và PTFE

Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của hình thái môđun màng lọc sợi rỗng

Các hình thái môđun màng lọc dạng sợi rỗng được khảo sát gồm: các sợi màng uốn cong hình chữ U, hút nước từ một đầu sợi (môđun M1); các sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ hai đầu sợi (môđun M2); các sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ một đầu sợi, một đầu bó sợi cố định (môđun M3); và các sợi màng duỗi thẳng, hút nước từ một đầu sợi, một đầu sợi không bó cố định (môđun M4)

Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của cường độ sục khí

Cường độ sục khí được thay đổi trong khoảng: 0,015; 0,03; 0,045; 0,06 và 0,075 L/cm2

/phút, tương ứng với lưu lượng cấp khí từ 10 đến 50 L/phút

Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của năng suất lọc

Năng suất lọc được khảo sát tại các giá trị: 12, 15, 20 và 30 L/m2

.h

Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính trong bể hiếu khí

Nồng độ BHT trong bể hiếu khí được khảo sát tại các khoảng giá trị: 3000; 6000, 9000 và 12000 mg/L

Thí nghiệm 6: Đánh giá khả năng thích nghi của BHT với nước thải chăn nuôi lợn

BHT được làm giàu sinh khối bằng nước thải chăn nuôi lợn trong bể sục khí gián đoạn SBR dung tích

50 L

- Khảo sát lựa chọn thời gian lưu trong các giai đoạn xử lý sinh học theo hệ mẻ:

Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trong bể yếm khí đến hiệu quả xử lý COD

Thí nghiệm được thực hiện trong bể yếm khí có dung tích 8 lít, thay đổi thời gian trong khoảng: 12,

Thí nghiệm được thực hiện trong bể sục khí dung tích 15 lít, thời gian được khảo sát từ: 8, 16, 24 đến

48 giờ; nồng độ BHT 9000 mg/L; duy trì DO trong khoảng 3 – 6 mg/L Trong thí nghiệm này, nước thải đầu

ra của bể yếm khí được sử dụng làm đầu vào của bể hiếu khí

Thí nghiệm 9: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu nước thải trong bể thiếu khí đến hiệu quả xử lý

nitrat

Thí nghiệm được thực hiện trong bể thiếu khí có dung tích 8 lít, thời gian lưu nước thải trong bể từ:

12, 16, 20 đến 24 giờ,; nồng độ BHT 6000 mg/L; DO được duy trì trong khoảng 0,3 – 0,6 mg/L

- Xây dựng mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm (Hình 2.7) Nồng độ BHT trong các bể xử lý: bể yếm khí: 12000 mg/L, bể thiếu khí: 6000 mg/L, và bể hiếu khí: lựa chọn ở thí nghiệm 5 Cường độ sục khí thô lựa chọn ở thí nghiệm 3 Dòng khí mịn được cấp khí với lưu lượng 5 – 10 L/phút Duy trì DO trong bể hiếu khí từ 3 – 6 mg/L Chọn năng suất lọc của màng 12 L/m2

.h

Tỷ lệ tuần hoàn 200%

Quy trình vận hành hệ thống xử lý sinh học kết hợp với lọc màng:

Nước thải trước khi đưa vào bể đầu vào được lọc sơ bộ bằng rây lọc có kích thước lỗ 0,5 mm Nước thải từ bể đầu vào được bơm sang bể yếm khí Sau thời gian lưu nhất định, nước từ bể yếm khí tiếp tục tự chảy tràn qua bể thiếu khí và từ bể thiếu khí tiếp tục chảy tràn sang bể hiếu khí Nước sau khi qua màng được chia thành 3 dòng, theo tỷ lệ nhất định: một dòng ra bể chứa; một dòng được bơm tuần hoàn về bể hiếu khí để đảm bảo mực nước trong bể hiếu khí được ổn định và dòng còn lại về bể thiếu khí để khử nitrat

Hình 2 7 ơ đồ khối hệ thống sinh học kết hợp lọc màng quy mô PTN Thí nghiệm 10: Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào đến hiệu quả xử lý COD và NH 4

Khảo sát các tỷ lệ dòng tuần hoàn từ bể hiếu khí về thiếu khí: 200, 300 và 400%

Thí nghiệm 12: Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính nước thải đầu vào đến hiệu quả xử lý chất ô nhiễm

Mục đích của thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng xử lý của hệ thống khi nước thải có các thông số ô nhiễm đầu vào thay đổi liên tục

- Đánh giá khả năng xử lý độ đục và coliform Lấy mẫu phân tích khảo sát nồng độ coliform với tần suất 3 ngày/lần, độ đục 2 ngày/lần

Thí nghiệm 13: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hóa chất và thời gian ngâm màng đến hiệu quả làm sạch màng

Khảo sát nồng độ của NaOCl tăng dần từ 500, 1000, 2000 lên 3000 mg/L và thời gian ngâm màng từ 1 giờ lên đến 2 giờ Mục đích lựa chọn được nồng độ NaOCl và thời gian ngâm màng sao cho sau khoảng thời gian ngắn nhất màng có thể đạt được áp suất qua màng như ban đầu

- Tính toán sản lượng bùn dư trong hệ thống lọc màng

Các chỉ tiêu phân tích: pH, COD, BOD5, NH4

+-N, NO3

- N, NO2

- N, TP, SS, coliform Các chỉ tiêu

được phân tích bằng các phương pháp thông dụng trong phòng thí nghiệm

Số liệu được xử lý tính toán thống kê mô tả và so sánh sự khác biệt các giá trị trung bình trên Excel Mỗi điều kiện, loại vật liệu và nghiên cứu được làm lặp lại 3 lần

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn

Nước thải chăn nuôi lợn khu vực nghiên cứu ô nhiễm rất cao so với cột B của Tiêu chuẩn nước thải chăn nuôi gia súc QCVN 01-79:2011/BNNPTNT Cụ thể, COD cao gấp 29 - 83 lần, NH4

+-N cao gấp 15 - 65 lần, T-P cao gấp 4 - 12 lần, SS cao gấp 20 - 35 lần và coliform cao gấp 160 - 440 lần

Mặc dù vậy, nước thải chăn nuôi lợn có đặc điểm hàm lượng chất hữu cơ, chất dinh dưỡng nitơ, photpho cao, là môi trường tốt để phát triển VSV Tỷ số BOD5 / COD = 0,67 – 0,7, phù hợp với xử lý sinh học Ngoài ra, nước thải còn có đặc điểm tỷ số COD/NH4

+-N = 15 – 20 (> 5) và COD/TP = 75 – 85 (> 45) Theo lý thuyết, với tỷ số COD/NH4

+-N và COD/TP cao như thế này, hệ thống xử lý sinh học có khả năng xử

lý nitrat và phôtpho triệt để (Lê Văn Cát, 2007)

3.2 Sản phẩm môđun màng lọc polymer được lắp ghép sử dụng trong các mô hình thí nghiệm nghiên cứu

Hình ảnh môđun màng tấm phẳng có diện tích bề mặt (21x10-2

m x 31 x10-2 m) =0,065 m2, đã được lắp ghép từ một số loại vật liệu màng khác nhau được thể hiện trên Hình 3.1

Hình 3.1 Một số môđun màng tấm phẳng với các vật liệu màng khác nhau

Hình ảnh một số hình thái môđun màng lọc sợi rỗng có diện tích bề mặt [2 x π x R x L x số sợi] = [(2

x 3,14 x 35x10-2 m x 0,6x10-3 m) x 48] = 0,065 m2 đã được lắp ghép thể hiện trên Hình 3.2

Hình 3.2 Một số hình thái modun màng lọc dạng sợi rỗng

Hình ảnh các đơn nguyên màng lọc sợi rỗng đã được lắp ghép thành hệ thống như Hình 3.3

Hình 3.3 Sản phẩm modun màng sợi rỗng