pháp sinh học
Quá trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau:
Hình 2.3: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 1.4.1. Quá trình nitrat hoá
Quá trình nitrat hóa là sự oxy hóa chất hữu cơ và amoni thành nitrat, như vậy chỉ đơn thuần là chuyển N từ dạng này sang dạng khác trong nước thải. Quá trình này chỉ kiểm soát nồng độ amoni.
Đây là quá trình tự dưỡng hiếu khí và cần năng lượng cho quá trình sinh trưởng VK mà nhận từ quá trình oxy hóa hợp chất vô cơ (amoni ban đầu), sử dụng carbon vô cơ thay cho carbon hữu cơ để tổng hợp tế bào.
Có nhiều loại VK nitrat hóa khác nhau trong tự nhiên trong đó có 2 loại phổ biến là Nitrosomonas và Nitrobacter. Quá trình nitrat hóa xảy ra theo 2
Khử nitrat Nitrat hóa Amôn hoá ( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-) NH4+ Nước NH4+ Nước N-hữu cơ
bậc và cả 2 loại vi khẩn chuyển hóa, trong đó Nitrosomonas chuyển hóa amoni thành nitrit còn Nitrobacter chuyển nitrit thành nitrat.
NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O NO2- + 0,5O2 NO3-
NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O
Oxy hóa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ thấp hơn. Tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định.
1.4.2. Quá trình khử nitrat
Nitrat là sản phẩm cuối của quá trình oxy hóa amoni, nitrat chưa được xem là bền vững cũng gây độc cho môi trường nên cần được khử thành khí nitơ.
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O
Để khử nitrat VSV cần có chất khử, chất khử có thể là các chất hữu cơ hoặc các chất vô cơ như (S, Fe2+). Phần lớn VSV nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng - chúng sử dụng C hữu cơ để tổng hợp tế bào, ngoài phần sử dụng cho khử nitrat. Song song với quá trình khử nitrat là quá trình tổng hợp tế bào, do đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cần thiết cho khử nitrat.
Quá trình khử nitrat giống như quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy chúng sử dụng NO2- và NO3- khi môi trường thiếu oxy. Trong hệ khử nitrat bởi VSV, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của chất nhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrit, nitrat, sunfat.. Mức độ cạnh tranh về phương diện sử dụng chất cho điện tử: O2 > NO3- NO2- > SO42-.
VSV cần N để tổng hợp protein và sử dụng NH3 hơn (sử dụng trực tiếp). Khi NH3 không tồn tại thì 1 vài VK sẽ chuyển hóa nitrat thành amoni.
Cả hợp chất thải vô cơ (H, S...) và hữu cơ đều có thể làm cơ chất cho quá trình khử nitrat. Kết quả của quá trình là chất cho điện tử bị oxy hóa và nitrat thì giảm đi.
Các chất hữu cơ mà nhóm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, các hóa chất hữu cơ đưa vào, các chất hữu cơ hình thành từ quá trình phân hủy nội sinh.
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Nước thải chăn nuôi được là loại nước thải dễ phân hủy sinh học vì chứa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy như cacbonhidrat. Xử lý nước thải chăn nuôi bằng biện pháp sinh học là phổ biến ở hầu hết các trại chăn nuôi công nghiệp nhờ tính khả thi và tính kinh tế cao của nó. Bên cạnh đó, phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt hiệu quả xử lý rất cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
1.5.1. Trong nước
Ở nước ta việc xử lý nước thải chăn nuôi cho đến nay chỉ phổ biến áp dụng rộng rãi một số loại hầm Biogas cỡ nhỏ phù hợp với chăn nuôi phân tán. Một số trang trại quy mô lớn được xây dựng trong thời gian gần đây đã có sử dụng các hầm Biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn mét khối kết hợp với các hồ sinh học để xử lý nước thải. Hoặc nước thải sau Biogas được tiếp tục qua hệ xử lý sinh học (Biofiml, Aeroten) UASB. Hầm Biogas chỉ xử lý được chất hữu cơ còn hồ sinh học có thể xử lý N và P nhưng thời gian lưu lâu. Nước thải sau xử lý bằng các biện pháp trên chưa đáp ứng các tiêu chuẩn thải của quốc gia và ngành về COD, BOD, tổng N.
Các phương pháp xử lý khác như phương pháp kỵ khí UASB, kỵ khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí Aeroten... đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu 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 quy 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 môi trường nước các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến “nở hoa nước” do vi tảo bao gồm vi khuẩn lam độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng. Chất thải rắn, bùn thải trong chăn nuôi chưa được xử lý triệt để, chưa tạo ra được sản phẩm hữu ích cho thị trường.
Một số nghiên cứu của Viện Chăn nuôi, Dự án liên minh Châu Âu - chương trình Asia proEco mới chỉ dừng lại ở việc điều tra, khảo sát, đánh giá thực trạng ô nhiễm và đề xuất ra các mô hình xử lý nước thải chăn nuôi mà chưa có các thực nghiệm thực tế. Bên cạnh đó, các cơ quan quản lý như Bộ Nông nghiệp, Bộ Tài Nguyên & Môi Trường cũng mới chỉ dừng lại ở việc ban hành ra các bộ tiêu chuẩn mà chưa có các hướng dẫn biện pháp xử lý cụ thể.
Theo ông Phùng Đức Tiến đánh giá thực trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi đã kết luận: Tình hình xử lý chất thải trong chăn nuôi còn chưa được quan tâm đúng mức. Tỷ lệ cơ sở chăn nuôi có khu xử lý chất thải rất thấp. Phương thức xử lý còn rất thô xơ chủ yếu là ủ phân tươi và phân nhỏ xử lý bằng Biogas. Còn lại một tỷ lệ lớn chất thải đổ trực tiếp ra môi trường. Môi trường chăn nuôi bị ô nhiễm nặng. Nước thải chăn nuôi không được xử lý gây ô nhiễm nặng nề môi trường xung quanh, đặc biệt là các chỉ tiêu vi sinh vật. Đây là một nguồn lây lan dịch bệnh. Hàm lượng Coliform cao hơn mức cho phép là 78,1 - 630,43 lần. Mức độ ô nhiễm có xu hướng tăng theo quy mô chăn nuôi. Chăn nuôi trang trại với mức tập trung cao, không có biện
pháp xử lý chất thải có mức độ ô nhiễm cao hơn. Trong ba đối tượng vật nuôi (lợn, bò và gia cầm) thì chăn nuôi lợn có mức độ ô nhiễm cao nhất.
Có thể nói rằng, ở nước ta hiện nay chưa có mô hình công nghệ đồng bộ nào giải quyết tốt vấn đề chất thải chăn nuôi lợn quy mô trang trại cả về chất hữu cơ, N, P và vi sinh vật gây bệnh.
Trường Đại học xây dựng Hà Nội có TS. L.Th. Bách làm ở Nhật về hệ yếm khí xử lý nước thải nuôi lợn. Trường Đại học khoa học Tự Nhiên có thực hiện đề tài cấp Trường về hệ lọc yếm khí - hiếu khí ngập nước xử lý nước thải nuôi lợn (2009, KS. Ng.H. Quyết).
Chỉ một số ít các nghiên cứu được thử nghiệm trong thực tế như đề tài nghiên cứu công nghệ lọc sinh học trong xử lý nước thải chăn nuôi tại Vĩnh Phúc được Viện Công Nghệ Môi trường thực hiện trong năm 2007, đề tài nghiên cứu công nghệ Aeroten trong xử lý nước thải chăn nuôi tại trại lợn Hoàng Liễn - Vũ Thư - Thái Bình được Viện Công Nghệ Môi trường thực hiện trong giai đoạn 2006 - 2007. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý của hai công nghệ này chưa cao và chưa đáp ứng được đòi hỏi của thực tế về suất đầu tư và chi phí vận hành. Chính vì vậy, tuy nhu cầu đã có lâu nhưng mô hình xây dựng và vận hành công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi ở nước ta rất hiếm. Công nghệ sục khí luân phiên (quá trình kỵ khí) đã được áp dụng để xử lý nước thải cho các ngành khác tại Việt Nam (bệnh viện, nước thải sinh hoạt...) đạt hiệu quả cao về kỹ thuật cũng như kinh tế. Mặc dù vậy, đối với nước thải chăn nuôi vẫn chưa được nghiên cứu ứng dụng.
1.5.2. Ngoài nước
Tác động của môi trường do nước thải chăn nuôi lợn đang là vấn đề chung cho các nước có ngành chăn nuôi gia súc phát triển như ở Châu Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc, Thái Lan… Tuy nhiên, ở các nước phát triển, sự phát triển của ngành nông nghiệp nói chung và chăn nuôi nói riêng được quy
hoạch và có kiểm soát chặt chẽ cả về kỹ thuật và môi trường. Trên thế giới, việc nghiên cứu đánh giá tác động môi trường của ngành chăn nuôi được thực hiện định kỳ trên phạm vi rộng lớn, có khi trong cả một quốc gia hoặc vài nước cận kề.
Tại các nước phát triển 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.
- Tại Hà Lan, nước thải chăn nuôi được xử lý bằng công nghệ SBR qua 2 giai đoạn: giai đoạn hiếu khí chuyển hóa thành phần hữu cơ thành CO2, nhiệt năng và nước, amoni được nitrat hóa thành nitrit hoặc khí Nitơ; giai đoạn kỵ khí xảy ra quá trình phản nitrat thành khí Nitơ, Photphat được loại bỏ từ pha lỏng bằng định lượng vôi vào bể sục khí (Willers et al, 1994).
- Tại Tây Ban Nha, mước thải chăn nuôi được xử lý bằng quy trình VALPUREN (được cấp bằng sáng chế Tây Ban Nha số P9900761). Đây là quy trình xử lý kết hợp phân hủy kỵ khí, hiếu khí tạo hơi nước và làm khô bùn bằng nhiệt năng được cấp bởi hỗ hợp khí sinh học và khí tự nhiên.
- Tại Thái Lan, công trình xử lý nước thải sau Biogas là UASB. Đây là công trình xử lý sinh học kỵ khí ngược dòng. Nước thải được đưa vào từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng các bông bùn mịn. Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ diễn ra khi nước thải tiếp xúc với các bông bùn này. Một phần khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí (CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính với các bông bùn và kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bùn, tạo sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước. Khi lên đến đỉnh bể, các bọt khí được giải phóng với khí tự do và bùn sẽ rơi xuống. Để tăng tiếp xúc giữa nước thải với các bông bùn, lượng khí tự do sau khi thoát ra khỏi bể được tuần hoàn trở lại hệ thống.
- Hay ở các nước châu Âu và Mỹ, nhất là ở Anh, để xử lý nước thải chăn nuôi, kỹ thuật yếm khí luôn là sự lựa chọn đầu tiên. Nước và chất thải chăn nuôi được coi là nguồn nguyên liệu để sản xuất Biogas thu hồi năng lượng. Ở Đức Biogas từ chất thải chăn nuôi và các nguồn thải hữu cơ khác đã được đưa vào cán cân năng lượng quốc gia để đạt mục tiêu 20% năng lượng sử dụng là năng lượng tái tạo vào 2020.
Có thể nói, để xử lý nước thải chăn nuôi người ta đã sử dụng đủ các phương tiện, từ các hệ ao hồ tự nhiên, đất ngập nước, hệ phân hủy yếm khí đơn giản cho tới các hệ xử lý yếm khí hiện đại.
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nước thải được chọn là: nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí (sau Biogas).
- Thiết bị thí nghiệm: thiết bị lọc sinh học ngập nước có nắp màng là đệm nhựa có nếp gấp.
- Địa điểm nghiên cứu: hệ thí nghiệm được đặt tại Viện Công Nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 10/2012 đến tháng 4 năm 2013.
2.1.2. Mục đích nghiên cứu
Nước thải chăn nuôi lợn xử lý qua bể Biogas vẫn còn độ ô nhiễm cao về chất hữu cơ và Nitơ. Mục đích của nghiên cứu là đưa ra chế độ thích hợp cho công nghệ lọc sinh học ngập nước thiếu khí - hiếu khí để xử lý nước thải chăn nuôi sau quá trình xử lý Biogas.
Nội dung nghiên cứu của đề tài là:
- Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các chế độ sục khí khác nhau của quá trình lọc sinh học ngập nước đến khả năng xử lý COD và nitơ của nước thải chăn nuôi lợn.
- So sánh, đánh giá kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau xử lý, đưa ra được hiệu suất xử lý, đưa ra được chế độ sục khí tối ưu nhất cho hệ thống.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Đây là đề tài nghiên cứu xử lý đồng thời các thành phần hữu cơ và nitơ trong nước thải chăn nuôi bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước, vì vậy
việc kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu khảo sát hiện trường, thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm và các phương pháp phân tích để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống là rất cần thiết.
Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu:
2.2.1. Phương pháp khảo sát hiện trường:
- Khảo sát, lấy mẫu nước thải chăn nuôi.
- Phân tích các thông số cơ bản của nước thải: pH, COD, N – NH4+, N - NO3-, N – NO2-, T - N.
- Thí nghiệm được nghiên cứu trên các chế độ thí nghiệm khác nhau để tìm ra chế độ vận hành tối ưu cho quá trình xử lý.
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm:
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian sục khí, ngừng sục khí đến hiệu quả xử lý COD và N của hệ thống.
- Tỷ lệ C/N: thay đổi tỷ lệ C/N (các thông số công nghệ khác được cố định), xác định hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ và nitơ của hệ thống.
2.2.3. Phương pháp phân tích
+ Phân tích COD: Xác định theo phương pháp Kalibicromat, phản ứng được thực hiện trên thiết bị phản ứng Thermoreactor TR 320 (Merck, Đức)
+ Phân tích Amoni: Xác định bằng phương pháp Phenat (Theo Standard Method 1995), so màu trên máy UV - 2450 (Shimazu, Nhật Bản)
+ Phân tích Nitrat: Được xác định bằng phương pháp so màu với Natri Salixylat (Theo TCVN 4562 - 88), so màu trên máy UV - 2450 (Shimazu, Nhật Bản).
+ Phân tích Nitrit: Nitrit được xác định dưới sự hình thành của thuốc nhuộm azo mầu hồng đỏ tại pH 2 – 2,5 bằng cách kết hợp diazotized sulfanilamin với N-(1-naphthyl)-ethylendiamine dihydrocholoride (NED dihydrocholoride).
HNO2 + SO3HC6H4.NH4 + 2H+ = SO3HC6H4N2 + H2O SO3HC4H4N2 + C10H7NH2 = SO3HC4H4 + C10H6NH2 + H+ So màu trên máy UV - 2450 (Shimazu, Nhật Bản).
+ Phân tích tổng N: Trên máy TOC - N (Shimazu, Nhật Bản)
+ Phân tích Photpho: Được xác định theo phương pháp so màu axit ascorbic (Theo standard Method 1995), so màu trên máy UV - 2450 (Shimazu, Nhật Bản).
2.2.4 Phương pháp tính toán
- Tính tải lượng:
L = CCOD (mg/l) x Qvào (L/h) x 24 / (10l x 1000) L: Tải lượng COD (kg/m3/ ngày)
CCOD: Nồng độ COD vào (mg/l)
Qvào: (Thể tích nước thải chăn nuôi bơm vào) 10L : Thể tích nước trong bể phản ứng - Tính hiệu suất xử lý: COD, NH4+ , T - N: H = (Cvào - Cra) x 100/Cvào
- Tính thời gian lưu: T = V / Qvào
- Tính tỷ lệ C/N = CCODvào/CT - Nvào
2.2.5. Phương pháp thu thập số liệu
Tiến hành theo dõi hàng ngày và ghi lại các số liệu trong quá trình làm việc:
- Lấy mẫu nước thải chăn nuôi đầu vào, đầu ra.
- Ghi các thông số tại thiết bị: pH, DO, nhiệt độ phòng. - Đo và điều chỉnh lưu lượng bơm đầu vào.
- Thường xuyên quan sát và ghi lại những biến đổi diễn ra trên hệ thiết