L ời cam đoan
2.3. Thành phần nước thải chăn nuôi heo và nước thải chăn nuôi heo sau
Theo Nguyễn Thị Thu Hà (2008) nước thải trại chăn nuôi heo bao gồm nước vệ sinh chuồng trại, phân, nước tiểu của heo. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải
chăn nuôi heo là: ô nhiễm hữu cơ; ô nhiễm đạm, lân và chứa nhiều loại vi trùng, vi khuẩn gây bệnh. Trong thành phần chất rắn của nước thải chăn nuôi heo chất hữu cơ chiếm 70 − 80% gồm các chất carbohydrate, acid amin, chất béo và các dẫn
xuất của chúng có trong phân, nước tiểu và thức ăn thừa. Chất vô cơ chiếm 20 đến
30% gồm cát, đất, muối clorua, SO42-... đặc biệt là hàm lượng đạm trong nước thải
rất cao do hệ tiêu hóa của heo hấp thu kém thành phần nitơ. Chỉ có 30% lượng nitơ đưa vào cơ thể heo chuyển hóa thành sản phẩm, 70% còn lại bị bài tiết ra ngoài
dưới dạng NH4 + , NO2 - , NO3 -
(Jongbloes và Lenis, 1992). Lân là thành phần tương đối ít, chiếm 0,25 − 1,4% trong thức ăn thừa và một ít trong nước tiểu của
heo…tồn tại chủ yếu ở dạng HPO4 2-
, H2PO4, PO4 3-
và phosphate hữu cơ. Những chất hữu cơ chưa được heo đồng hóa, hấp thụ sẽ bài tiết ra ngoài theo phân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất khác. Tùy điều kiện hiếu khí hay kỵ khí mà quá trình phân hủy tạo thành các sản phẩm khác nhau như acid amin, acid béo, aldehyde,
nước, CO2, NH3, H2S, NO2, NO3, CH4, N2,…Các chất khí sinh ra như NH3, H2S…gây ra mùi hôi thối trong khu vực nuôi, ảnh hưởng xấu tới môi trường. Đặc biệt các thông số ô nhiễm môi trường ở mức rất cao (Bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo so với (QCVN 40:2011/BTNMT)
Thông số Đơn vị Kết quả
Giá trị C (QCVN40 2011/BTNMT)
A B
pH - 7,23 - 8,07 6 đến 9 5,5 đến 9
Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) mg/L 2561 - 5028 75 150 Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD5) mg/L 1664 - 3268 30 50 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L 1700 - 3218 50 100
Ammonium (N-NH4) mg/L 304 - 471 5 10
Tổng nitơ (TN) mg/L 512 - 594 20 40
Tổng phosphor (TP) mg/L 13,8 - 62 4 6
Ngoài ra nước thải chăn nuôi heo còn chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng,
ấu trùng giun sán gây bệnh. Do đó, loại nước thải này có nguy cơ trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho sinh vật đồng thời, lây lan một số bệnh cho
người nếu không được xử lý triệt để (Nguyễn Thị Thu Hà, 2008).
Theo Lâm Vĩnh Sơn và Nguyễn Trần Ngọc Phương (2011) nước thải chăn
nuôi heo sau khi qua xử lý bằng công nghệ yếm khí biogas sẽ góp phần giảm các thông số ô nhiễm môi trường như mùi hôi, tổng Coliform giảm hơn 99,8%, các ký sinh trùng gây bệnh, trứng giun và các ấu trùng giảm hơn 99%, hàm lượng BOD5 giảm 50 – 60%, COD và TSS giảm 70 – 80%, hàm lượngnitơ và phosphor còn rất
cao. Vậy khi so sánh với QCVN40:2011/BTNMT nước thải chăn nuôi heo sau
biogas còn tồn tại các thành phân gây ô nhiễm môi trường rất cao như COD,
BOD5, TSS, TN, TP. Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và có thể gây hiện tượng phú dưỡng hóa cho các nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước và các sinh vật sống trong môi trường (Nguyễn Thị Thu Hà, 2008).
2.4 Quản lý chất thải chăn nuôi heo ở thế giới
Chăn nuôi heo là một ngành sản xuất quan trọng trong nền nông nghiệp của
thế giới. Xuất phát từ nhu cầu tiêu dùng các sản phẩm thịt heo trên toàn cầu là rất
lớn nên hoạt động chăn nuôi heo ngày càng phát triển ở hầu hết các quốc gia, các nước chăn nuôi heo nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của người dân trong nước và xuất khẩu ra thị trường thế giới. Theo Willers et al. (1993) ở các nước phát triển
trên thế giới, việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi đã
được nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua như Trung Quốc, Thái
Lan,… là những nước có ngành chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi. Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý nước thải thích hợp như: kỹ thuật lọc yếm khí, kỹ
thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn, bể biogas tự hoại. Hiện nay ở Trung Quốc,
các bể biogas tự hoại đã sử dụng rộng rãi như phần phụ trợ cho các hệ thống xử lý
trung tâm. Bể biogas là một phần không thể thiếu trong các hộ gia đình chăn nuôi
heo vừa và nhỏ ở các vùng nông thôn, nó vừa xử lý được nước thải và giảm mùi hôi thối mà còn tạo ra năng lượng để sử dụng, các chỉ số ô nhiễm giảm đáng kể đến mức an toàn cho phép xả thải ra môi trường. Ở các nước Úc, Hà Lan, Ý, nước
thải chăn nuôi heo được xử lý bằng công nghệ Sequencing Batch Reactor (SBR)
qua 2 giai đoạn: giai đoạn hiếu khí chuyển hóa thành phần hữu cơ thành CO2, nhiệt năng và nước, ammonium được nitrate hóa thành nitrite hoặc khí nitơ; giai đoạn kỵ
khí xảy ra quá trình chuyển nitrate thành khí nitơ. Phosphate được loại bỏ từ pha
lỏng bằng định lượng vôi vào bể sục khí. Cuối cùng các thông số ô nhiễm COD,
Nhận xét chung về công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ sinh học, trên thế giới đã áp dụng tổng thể và đồng bộ các thành tựu kỹ thuật lên men yếm khí,
lên men hiếu khí và lên men thiếu khí, nhằm đáp ứng các yêu cầu kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường. Trên cơ sở đó nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất ra những giải
pháp kỹ thuật phù hợp với từng điều kiện sản xuất cụ thể của mỗi địa phương.
2.5 Quản lý chất thải chăn nuôi heo ở đồng bằng sông Cửu Long
Do vị trí địa hình ở ĐBSCL là vùng trũng, sông ngòi chằng chịt, là nguyên nhân để người chăn nuôi heo ít quan tâm đến việc xử lý nước thải trước khi thải ra
môi trường, các nông hệ thường có thói quen đặt ống dẫn nước thải trực tiếp ra dòng chảy hoặc chỉ qua xửlý đơn giản túi ủ biogas, hồ thủy sinh... sau đó thải ra môi trường, gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp. Đây là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô
hấp, tiêu hoá, do trong chất thải chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh, trứng giun… Tổ
chức y tế thế giới (WHO) năm 2010 đã cảnh báo: nếu không có biện pháp thu gom
và xử lý chất thải chăn nuôi một cách triệt để, sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng hơn.
Nước thải chăn nuôi heo ở ĐBSCL được coi là một trong những nguồn nước thải
gây ô nhiễm nghiêm trọng và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.
Hiện nay, các nhà khoa học đã chứng minh được việc loại bỏ các chất thải trong nước thải bằng phương pháp hóa học hay phương pháp sinh học hoặc kết
hợp phương pháp hóa học với sinh học. Trong phương pháp hóa học, sử dụng vôi,
các muối FeCl3, FeSO4,…để keo tụ các thành phần chất thải rồi lắng xuống. Các phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí cao do sử dụng nhiều hóa chất và sau xử lý các hóa chất còn tồn dư trong nước có thể gây ô nhiễm thứ cấp trong môi
trường, hiện nay biện pháp hữu hiệu nhất để xử lý nước thải là biện pháp sinh học, vì áp dụng biện pháp sinh học trong xử lý nước thải sẽ mang lại hiệu quả cao và triệt để hơn so với biện pháp hóa học, đồng thời không gây tái ô nhiễm môi trường,
ngoài ra chi phí đầu tư ít nhất (Chu Thị Thơm và ctv.,2006). Do đó vấn đề sử dụng
vi sinh vật có ích trong tự nhiên, đặc biệt là vi khuẩn có khả năng kết tụ, đông tụ
hay vi khuẩn tích lũy poly-P, chuyển hóa nitơ đang được quan tâm và dần dần được áp dụng nhiều ở ĐBSCLđể xử lý nước thải chăn nuôi heo.
Quản lý chất thải chăn nuôi không chỉ ngăn chặn ô nhiễm môi trường mà còn tái tạo năng lượng phục vụ sản xuất (Nguyễn Quang Khải, 2001), áp dụng túi ủ khí
sinh học (túi ủ biogas) để xử lý chất thải chăn nuôi quy mô hộ gia đình là một giải
pháp hợp lý và bền vững ở vùng nông thôn ĐBSCL (Nguyễn Hữu Chiếm và Eiji Matsubara, 2012). Hiện nay, đa số hộchăn nuôi heo ở ĐBSCL áp dụng công nghệ
kỵ khí túi biogas để xử lý nước thải đã đem lại hiệu quả thiết thực là khử mùi hôi, giảm được thông số ô nhiễm môi trường (COD, BOD5, TSS) và làm ung thối các
trứng giun, sán, ấu trùng gây bệnh, loại bỏ được vi khuẩn gây bệnh đến 99,89%. Chất thải sau biogas hiện nay chưa có biện pháp quản lý chặt chẽ, nhất là các hộ gia đình chăn nuôi thường xả thải trực tiếp ra sông, rạch, ao hồ. Một số trang trại
chăn nuôi heo quy mô vừa và lớn, nước thải sau xử lý biogas tiếp tục ứng dụng các
quy trình tự nhiên trong các ao, hồ được thiết kế để xử lý nước thải. Trong các ao, hồ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí, quá trình cộng sinh của vi khuẩn
tảo và thực vật thủy sinh là các quá trình sinh học chủ đạo. Các quá trình lý học,
hóa học bao gồm các hiện tượng pha loãng, lắng, hấp phụ, kết tủa, các phản ứng
hóa học tự nhiên… cũng diễn ra tại đây, hiệu suất chuyển hóa BOD5 của hồ rất
cao, có thể lên đến 95%. Việc sử dụng ao, hồ tự nhiên để xử lý nước thải có ưu điểm là ít tốn vốn đầu tư cho quá trình xây dựng, đơn giản trong vận hành và bảo
trì. Tuy nhiên, do các cơ chế xử lý diễn ra với tốc độ tự nhiên (chậm) do đó đòi hỏi
diện tích đất rất lớn. Hồ sinh học chỉ thích hợp với nước thải có mức độ ô nhiễm
thấp. Hiệu quả xử lý phụ thuộc sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí, kỵ khí
tùy nghi, cộng với sự phát triển của các loại vi nấm, rêu, tảo và một số sinh vật
khác nhau. Ở một số trang trại lớn nuôi heo với quy mô công nghiệp, lượng chất
thải nhiều, sau khi qua công nghệ xử lý biogas nước thải được tiếp tục vào quy trình xử lý bằng các công nghệ sinh học như bể hoạt động gián đoạn (SBR) hoặc
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc (UASB)… giai đoạn cuối các công nghệ này, nước
thải tiếp tục được khử trùng sau đó thải ra môi trường. Hiệu quả xử lý nước thải
của các công nghệ sinh học nêu trên rất cao, nhưng mất nhiều thời gian cho một
chu kỳ xử lý, chi phí đầu tư rất cao nên chưa áp dụng đại trà cho tất các cả các hộ chăn nuôi heo ở ĐBSCL. Do vậy, hiện nay có nhiều công trình xử lý nước thải được áp dụng tại các trại chăn nuôi heo theo quy trình: sử dụng hóa chất để tách
phần chất thải ra khỏi nước thải, sau đó tiến hành xử lý sinh học cho phần nước
thải. Với cách làm này xem ra có hiệu quả nhưng khi dùng chất hóa học để thực
hiện keo tụ thì để lại hậu quả không tốt cho môi trường sinh thái và sức khỏe con
người. Theo Cao Ngọc Điệp et al,. (2010) để xử lý nước thải đạt hiệu quả mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường, thì không dùng hóa chất, hoặc chỉ dùng ở hàm lượng rất thấp với mục đích là “phụ trợ” cho vi khuẩn tạo chất kết tụ thực
hiện quá trình gom tụ chất thải, qua đó xử lý được các hạt lơ lửng trong môi
trường, sau cùng sử dụng các chủng vi khuẩn đặc trưngđể tiếp tục xử lý phần còn lại như đạm, lân và các thành phần khác trong nước thải, khi nước đạt chuẩn an toàn cho phép mới xả thải ra môi trường.
2.6 Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải
Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật, để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải, thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Vi sinh vật có trong nước thải
hữu cơ tổng hợp nhân tạo, một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển, tăng số lượng tế bào (tăng sinh khối), đồng thời làm sạch (gần như hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan. Quá trình sinh học xử lý nước thải vừa phân hủy, vừa oxy hóa các cơ
chất, đồng thời đồng hóa các chất hữu cơ và NH4 +
, PO4 3-
để sinh trưởng. Sinh khối
của các vi sinh vật tăng, sản sinh ra các enzym thủy phân và oxy hóa khử làm tăng
hoạt tính của cộng đồng vi sinh vật, nhằm khử các chất bẩn hữu cơ (BOD hoặc
COD), nitrate hóa, khử nitrate, khử phosphor và ổn định chất thải nhờ quá trình chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành pha khí, vỏ của tế bào vi sinh vật tạo ra các
bông bùn cặn sinh học rồi loại các bông bùn này ra khỏi nước thải. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học xuất phát từ các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường gặp hai kiểu sinh trưởng: Sinh trưởng lơ lửng đồng nghĩa với bùn hoạt tính; Sinh trưởng dính bám đồng nghĩa với màng sinh học. Nhờ các biện pháp
nhân tạo hoạt tính của vi sinh vật được tăng cường thì hiệu quả làm sạch chất bẩn
không ngừng được tăng lên (Nguyễn Đức Lượng, 2002).
2.6.1 Sinh trưởng dính bám - màng sinh học (biofilms) trong xử lý nước thải
Màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa
các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng, hệ vi sinh vật bao phủ bề mặt
vật liệu tạo ra lớp màng dày từ 1 – 3 mm, màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ
thấy là trực khuẩn Bacillus, ở giữa là các vi khuẩn kỵ khí tùy nghi như Alcaligenes,
Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử sunfate và nitrate như Desulfovibrio (Hình 2.1).
Hình 2.1: Mô phỏng cấu tạo màng sinh học (Nguyễn Văn Phước, 2007)
O2 NH4 BOD Nước thải Màng VSV kỵ khí Lớp màng hiệu quả H2S acid hữu cơ Môi trường NO3 NO2 Màng VSV hiếu khí
Vi sinh vật trong màng sinh học sẽ oxy hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng
làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên (Nguyễn Văn Phước, 2007).
Màng sinh học được ứng dụng trong các hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải như: đĩa quay sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt, lọc sinh học ngập nước.
Cơ sởđể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hoá vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tựdưỡng có trong tự nhiên, nhờ khảnăng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amôn hoá chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi khuẩn amôn hóa. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối thuộc các bộPseudomonadales, Eubateriales…
mà protein bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptid, oligopeptid. Các chất này tiếp tục được phân hủy thành các acid amin nhờ men peptidase ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đó sẽ được phân hủy tiếp trong tế