Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp màng vi lọc
MỤC LỤC
Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến môi trường
Ngoài ra đối với các trang trại tập trung chăn nuôi quy mô lớn, mô hình này không đáp ứng được công suất xử lý do đòi hỏi thời gian lưu dài của nước thải (khoảng 30 - 40 ngày) trong thiết bị xử lý dẫn tới việc phải xây dựng hệ thống xử lý trên một diện tích 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. Mặc dù, các phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi được áp dụng hiện nay đều dựa trên các công nghệ đã được áp dụng thành công trên thế giới nhưng để phù hợp với thực tiễn Việt Nam vẫn còn gặp không ít khó khăn do quy mô chăn nuôi đa dạng, vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp, trình độ và hiểu biết của người chăn nuôi chưa đáp.
Các phương pháp hóa lý
Hầu hết các hệ thống hiện nay được triển khai một cách đối phó, không đạt tiêu chuẩn thải, khi sử dụng những công nghệ đơn giản chỉ phù hợp cho xử lý những nguồn nước thải có tải trọng ô nhiễm thấp vào áp dụng với nguồn nước thải đặc thù này. Ngoài ra, ở một số cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nước thải đòi hỏi mức độ sạch sinh học cao, còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải hay để khử trùng nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.
Công nghệ xử lý bằng phương pháp vi sinh
Giá thể là vật liệu tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) nên VSV bám dính và chúng thường được thay thế cho sỏi đá. Trong bể lọc kị khí. do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối, nên rất dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục nhược điểm này có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua hệ thống phân phối khí. Sau thời gian vận hành, các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể. Có thể nhận thấy được khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực trong bể bị rút ngắn. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng xả đáy và rửa ngược. +) Hồ yếm khí: ở đây các vi khuẩn yếm khí phân hủy các chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối ở dạng khí là CO2 và CH4, them vào đó là hợp chất trung gian phát sinh mùi như các axit hữu cơ, H2S. Đặc tính của nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cụ thể là protein, mỡ, có nhiệt độ tương đối cao, không chứa các chất độc và đủ các chất dinh dưỡng. Các tiêu chuẩn vận hành bình thường đối với hồ yếm khí có thể đạt hiệu suất khử BOD bằng 75% là tải trọng BOD bằng g BOD/m3.ngày, thời gian lưu tối thiểu là 4 ngày, hồ làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 25oC. Vấn đề vận hành thường gặp đối với loại hồ này là sự giảm nhiệt độ do mặt hồ không được lớp dầu mỡ phủ kín để cách nhiệt và tránh tác động khuấy trộn của gió. Nếu hồ vận hành đúng sẽ không phát sinh mùi làm ô nhiễm môi trường xung quanh. Ưu điểm của xử lý yếm khí so với quá trình hiếu khí là sinh ra ít bùn hơn và không cần thiết bị thông khí, nhưng nhược điểm của nó là phân hủy không triệt để nên chất thải cần được xử lý tiếp bằng quá trình thứ cấp là quá trình hiếu khí. Mặt khác quá trình phân hủy yếm khí cần nhiệt độ khá cao. +) Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow anearobic. sludge blanket - UASB): đây là một trong những quá trình xử lý kị khí được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới nhờ có các đặc điểm như tích hợp cả 3 quá trình phân hủy - lắng bùn - tách khí trong một công trình; thứ 2 là tạo ra các loại bùn hạt có nồng độ VSV cao và tốc độ lắng cao hơn so với bùn của quá trình hiếu khí dạng lơ lửng. Quá trình hoạt động của UASB như sau: nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể và đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí chủ yếu là CH4 và CO2, sẽ tạo dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ các hạt bùn sẽ dính vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình tách khí - lỏng - rắn được thực hiện nhờ bộ phận tách pha. Nước thải được chảy qua máng chảy tràn vào thiết bị xử lý tiếp theo. Sơ đồ hệ thống UASB. Phương pháp xử lý hiếu khí: là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm VSV hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 - 40oC. Một số quy trình xử lý hiếu khí có thể kể đến như:. +) Bể phản ứng sinh học hiếu khí (aeroten truyền thống): Aeroten là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp thiết kế bằng kim loại hình khối trụ. Thông dụng nhất là bể aeroten dạng khối hình chữ nhật. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước. Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten. Các chất lơ lửng này là số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ dạng chưa phải hòa tan. Các chất lơ lửng làm nơi để VSV bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các hạt bông cặn. Các hạt này dần to và lơ lửng trong nước, chính vì vậy phương pháp này gọi là quá trình xử lý. với sinh trưởng lơ lửng của quần thể VSV. Các bông cặn này chính là bùn hoạt tính, chúng có màu nâu sẫm, chứa các chất hấp phụ trong nước thải là nơi cư trú cho các vi khuẩn cùng các VSV bậc thấp khác. Hợp chất hữu cơ hòa tan là hợp chất dễ phân hủy nhất. Ngoài ra có các hợp chất khó phân hủy, hoặc hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo – các hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết ra enzym ngoại bào, phân hủy thành các chất đơn giản rồi thẩm thấu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho các tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. +) Mương oxy hóa (Oxidation ditch): Là một dạng aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh, làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn trong mương. Đối với nước thải sinh hoạt chỉ cần song chắn rác, lắng cát và không cần qua lắng sơ cấp là có thể đưa vào mương oxy hóa. Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g O2/kg.ngày. Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương, do đó số lượng bùn giảm khoảng 2,8 lần. +) Lọc sinh học (Biofilter): Phương pháp này dựa trên quá trình hoạt động của VSV ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc. Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom vào lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể kéo theo những mãnh vỡ của màng sinh học bị lóc khi lọc. Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc. Lọc sinh học chia làm hai loại: lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước và ngập trong nước. +) Hồ sinh học hiếu khí: hay còn gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định, là một chuỗi từ 3 đến 5 hồ, nước thải chảy qua hệ thống hồ với vận tốc không lớn. Trong hồ nước thải được làm sạch bằng tự nhiên bao gồm cả tảo và vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy lực lớn 30 – 50 ngày. Các vi khuẩn sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Còn tảo đến lượt mình sử dụng CO2, NH4+, phốtpho được giải phóng ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp. Để hồ sinh học làm việc bình thường, cần duy trì pH và nhiệt độ ở giá trị tối ưu. Trong hồ xẩy ra các quá trình sau: oxy hóa các chất hữu cơ bởi các VSV hiếu khí ở lớp nước ở trên hồ; quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên;. phân hủy chất hữu cơ của các vi khuẩn yếm khí ở đáy hồ. Gió và nhiệt độ là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mức độ khuấy trộn nước trong hồ. Ở đây khuấy trộn có hai chức năng: giảm tới mức tối thiểu, rút ngắn thời gian lưu và các vùng chết trong hồ; phân phối đều các chất dinh dưỡng, oxy cho tảo và VSV. +) Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR -Sequencing Batch Reactor): các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Ở các nước phát triển, quy mô trang trại hàng trăm hecta, trong trang trại ngoài chăn nuôi lợn quy mô lớn (trên 10.000 con lợn), phân lợn và chất thải lợn chủ yếu làm phân vi sinh và năng lượng Biogas cho máy phát điện, nước thải chăn nuôi được sử dụng cho các mục đích nông nghiệp.
Phương pháp thu thập xử lý số liệu
- Nước thải chăn nuôi lợn tại xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội được lấy sau lúc rửa chuồng, bao gồm: nước rửa chuồng trại, phân và nước tiểu của lợn. - Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với màng lọc vi lọc polyme;.
Phương pháp phân tích đánh giá
Mẫu nước thải được loại bỏ cặn thô, vật nổi, thức ăn thừa..đem về phòng thí nghiệm;. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền xử lý nước thải chăn nuôi
Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD.
Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme
Màng lọc được đặt trong bể hiếu khí, nhờ bơm áp lực nước thải hút qua màng tách thành 2 dòng, 1 dòng chảy tuần hoàn về cột thiếu khí, dòng còn lại là nước đầu ra sau xử lý sinh học. - Bể hiếu khí được lắp đặt hệ thống phân phối khí tại đáy bể, có tác dụng cung cấp oxi cho quá trình sinh học hiếu khí, khuấy trộn phản ứng và quá trình sục khí.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ
Hỗn hợp nước thải được điều chỉnh pH trong khoảng 3 - 9, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test và để lắng trong khoảng 60 phút. Như vậy, nước thải chăn nuôi lợn tại đây rất ô nhiễm, nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường và sức khỏe con người.
Ảnh hưởng của pH
Tại các giá trị pH khác, hiệu suất loại bỏ độ đục và độ màu đều trên 66% do các chất rắn lơ lửng có trong nước thải chăn nuôi lợn lắng xuống cùng các hạt keo. Nước thải chăn nuôi được nghiên cứu có đặc tính độ kiềm cao nên pH tối ưu cho phản ứng keo tụ bằng phèn sắt sẽ tốn ít chi phi hóa chất và thời gian cho giai đoạn hóa lý.
Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ
Điều này phản ánh thực tế nước thải lợn luôn có sự thay đổi về nồng độ các chất ô nhiễm trong từng thời điểm xả thải nhất định, với mỗi nồng độ khác nhau cần thời gian khác nhau cho quá trình sinh học xảy ra, nồng độ cao đòi hiệu suất xử lý cao, đồng nghĩa với thời gian xử lý dài hơn. Ngoài ra, nước thải đầu vào còn ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý sinh học như pH, pH thuận lợi cho quá trình sinh học tối ưu là từ 7 đến 8,5; hóa chất, các độc tố của nước thải đầu vào như các chất kháng sinh, các sản phẩm hóa học có thể gây ức chế cho quá trình hoạt động của vi sinh.
Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học
Mặt khác, giá trị COD không chỉ xác định qua nước thải ra hàng ngày của lợn mà bao gồm cả lượng cơ chất sinh ra trong quá trình phân hủy xác các VSV chết lắng đọng trong nước thải. Như vậy mặc dù đặc tính nước thải đầu vào ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học nhưng nếu lựa chọn các thông số vận hành hệ xử lý phù hợp thì hiệu quả xử lý trong quá trình xử lý sinh học sẽ không bị ảnh hưởng nhiều.
Hiệu suất xử lý Amoni
Amoni sau khi qua bể thiếu khí giảm một phần, do trong bể có một phần nhỏ oxy từ bể hiếu khí chuyển qua bể thiếu khí từ đường tuần hoàn, nên xảy ra phản ứng oxy hóa amoni. Nguyên nhân là do trong bể hiếu khí có hàm lượng bùn hoạt tính rất lớn (9000 mg/L) nên làm tăng số lượng vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, làm tăng khả năng chuyển hóa amoni. Ngoài ra, amoni còn có thể bị loại bỏ nhờ khả năng lọc rất tốt của màng lọc. mg/L), điều này là do thời gian lưu chưa đủ dài để hệ vi sinh có thể chuyển hóa hoàn toàn lượng amoni.
Hiệu suất xử lý nitrat
Chất hữu cơ cũng được tiêu thụ để tổng hợp sinh khối và hô hấp nội sinh trong quá trình khử nitrat. Do đó, với nguồn nước thải này, hệ sinh học có thể xử lý hoàn toàn nitơ mà không cần bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất.
Hiệu suất xử lý PO43--P
- Do đặc tính nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng cặn lơ lửng cao, toàn bộ lượng cặn này sẽ đi vào bể yếm khí nếu không có giai đoạn tiền xử lý trước sinh học dễ xảy ra hiện tượng tắc nghẽn bể yếm khí. Vì vậy, chế độ vận hành yêu cầu khắt khe hơn, thời gian xả bùn bể yếm khí ngăn hơn (trung bình từ 10 đến 15 ngày) sẽ làm xáo trộn hệ VSV yếm khí, ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý.
Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme
Do đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn nhiều cặn lơ lửng và thành COD cao nên rất cần thiết phải có giai đoạn tiền xử lý mục đích để giảm tải lượng đầu vào hệ sinh học và tăng thời gian lưu của bùn yếm khí. Tuy nhiên, khi tiền xử lý với nồng độ chất keo tụ lớn sẽ làm cho phần lớn chất hữu cơ bị loại bỏ dẫn tới hiện tượng thừa NH4+, tỷ lệ C:N giảm gây ra hiện tượng ức chế vi sinh yếm khí, không tốt cho các giai đoạn sinh học.
Ảnh hưởng của pH
Kết quả này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Ahamed Fadel Ashery và cộng sự (2010): hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ của phèn nhôm tốt nhất tại pH ở khoảng 5 – 6. Khi pH tăng, các chất humic sẽ dễ ion hóa hơn bởi vì các nhóm carboxyl sẽ mất proton và điện tích dương trên chất keo tụ kim loại sẽ giảm [12].
Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ
Do mật độ sinh khối trong bồn phản ứng cao tới 1 - 1,5% nên một mặt năng xuất xử lí tăng khoảng 5 - 7 lần so với BHT, điều này đồng nghĩa với việc giảm khối tích và chi phí xây dựng, chi phí mặt bằng như đã nêu; mặt khác cho phép lưu bùn lâu và phân huỷ bùn ngay trong bể phản ứng dẫn đến giảm lượng và chi phí xử lí bùn thải. Tăng cường chất lượng nước ra tới mức cao nhất hiện nay, đặc biệt về khía cạnh các chỉ tiêu vi sinh, điều này cho phép tái sử dụng nước xử lí để giảm thiểu chi phí nước sạch cho các mục đích công cộng như tưới cây, rửa phố, rửa xe.
