2. Mục tiêu của đề tài
1.3.2. Công nghệ xử lý chất thải rắn
Chất thải rắn gây ô nhiễm môi trƣờng chủ yếu trong chăn nuôi là phân gia súc, gia cầm, thƣờng đƣợc xử lý bằng các phƣơng pháp sau:
1.3.2.1. Ủ phân
- Ủ kín: Phân đƣợc đổ vào các hố, kích thƣớc to nhỏ phụ thuộc vào lƣợng phân chuồng cần ủ, bổ sung các chế phẩm vi sinh. Dùng bùn trộn lẫn rơm trát kín và để khoảng 06 tháng. Trong điều kiện kín, phân chuồng bị phân giải yếm khí làm nhiệt độ đống phân tăng cao, tới 60 – 70oC làm cho phân hoai dần và tiêu diệt gần hết các mầm bệnh, đảm bảo vệ sinh môi trƣờng.
Ủ kín có thể thực hiện nhƣ sau:
+ Chứa trong bao kín: dùng bao nilon dày, kín, chứa phân tƣơi rồi cột miệng bao lại có chừa một lỗ nhỏ để thoát khí sinh ra trong quá trình phân huỷ. Đặt các bao phân vào nơi cao ráo, xa nhà, có mái che. Sau 6 tháng, phân sẽ hoai và có thể sử dụng cho các hộ có quy mô chăn nuôi nhỏ, lƣợng phân chuồng không nhiều.
+ Chất đống và dùng đất bao kín: gom phân lại thành đống rồi dùng đất bùn nhão trộn rơm trát kín hoặc dùng nylon phủ kín, chừa một khoảng hở để thoát khí sinh ra trong khi ủ phân. Sau 6-12 tháng, lấy phân ra bón cây.
- Ủ hở: Thu phân vào một chỗ phun chế phẩm vi sinh, để trong điều kiện không khí và nhiệt độ bình thƣờng ngoài tự nhiên, khi hết mùi hôi thối, phân mủn
15
thì có thể bón ruộng đƣợc. Cách ủ này đơn giản, phân nhanh hoại, nhƣng cần chú ý thực hiện các việc sau đây để đảm bảo vệ sinh môi trƣờng.
+ Phân tƣơi chứa trong bao kín rồi cột miệng bao lại có chừa một lỗ nhỏ để thoát khí sinh ra trong quá trình phân huỷ, đặt các bao phân vào nhà ủ.
+ Phải có tƣờng bao quanh để tránh phân bị rơi v i ra ngoài.
+ Đặt trong nhà có mái che để tránh nƣớc mƣa rơi thấm vào phân và rò rỉ ra xung quanh.
+ Sử dụng các chế phẩm sinh học rắc lên mặt đống phân ủ để giảm ruồi muỗi và mùi hôi thối.
Ưu điểm: Xử lý đƣợc triệt để lƣợng phân thải từ chất thải chăn nuôi, sử dụng làm phân bón.
1.3.2.2. Phương pháp đệm lót sinh thái
Công nghệ này có nguồn gốc từ Nam Ninh - Trung Quốc và đƣợc các nhà khoa học của Trƣờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội tiến hành nghiên cứu, thử nghiệm.
Công nghệ này đơn giản, dễ áp dụng và đem lại lợi ích lớn. Đệm lót sinh thái là đệm lót trên nền chuồng chăn nuôi. Đệm này đƣợc cấu tạo bởi các chất xơ nhƣ mùn cƣa, vỏ trấu, bã sắn, bã mía. Sau khi rải các chất độn chuồng này lên nền chuồng nuôi sẽ đƣợc rải lên trên bề mặt một lớp hệ men vi sinh vật có ích. Hệ men vi sinh này có tác dụng chủ yếu:
- Phân giải phân, nƣớc tiểu do vật nuôi thải ra, hạn chế sinh khí hôi, thối;
- Ức chế và tiêu diệt sự phát triển của hệ vi sinh vật có hại, khống chế sự lên men sinh khí hôi thối;
- Phân giải một phần chất độn chuồng;
- Giữ ấm cho vật nuôi do đệm lót luôn luôn ấm bởi nhiệt từ hoạt động của hệ men vi sinh vật.
Ngƣời chăn nuôi lợn sử dụng công nghệ này sẽ giảm chi phí nƣớc sạch đến 80%, nhân lực 60% và 10% thức ăn, không hoặc rất ít sử dụng thuốc thú y. Trong
16
quá trình chăn nuôi không sử dụng nƣớc rửa chuồng; Không sử dụng nƣớc để tắm, rửa cho vật nuôi do đó hạn chế đƣợc lƣợng nƣớc thải và phân thải rất lớn.
Ưu điểm: Phƣơng pháp này xử lý triệt để chất thải chăn nuôi.
Nhược điểm: Công nghệ này là khó áp dụng vào mùa khô nóng, nếu không tiến hành tắm, giải nhiệt cho gia súc thì nguy cơ gia súc bị bệnh sẽ rất cao. (Nguồn: Chăn nuôi trên đệm lót sinh thái - Viện Chăn nuôi
1.3.2.3. Công nghệ khí sinh học biogas
Áp dụng công nghệ khí sinh học biogas là một biện pháp đƣơợc đánh giá có nhiều ƣu điểm và đƣợc áp dụng rộng rãi nhất ở các nƣớc trên thế giới.
Để đảm bảo cho hầm biogas hoạt động đạt hiệu quả, tỷ lệ phân và nƣớc thải nạp vào hầm hàng ngày phải đạt tỷ lệ 1:1 hoặc 1:2.
Tại hầm biogas diễn ra quá trình lên men các chất hữu cơ tạo thành khí mêtan và các khí khác. Đó là quá trình phức tạp, quá trình lên men khí mêtan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm (hay pha mêtan).
- Trong pha axit, các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện, vi khuẩn yếm khí) hoá lỏng các chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo thành các axit bậc thấp nhƣ axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxêrin, axeton, đihyđrôsulfua, hyđrô, cácbonic.
- Trong pha kiềm, các vi khuẩn tạo mêtan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí chuyển hoá các sản phẩm trung gian trên tạo thành metan và cacbonic.
Quá trình công nghệ gồm 3 giai đoạn:
17
Giai đoạn 1: Thuỷ phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử tạo thành các chất đơn giản hơn
Giai đoạn 2: tạo thành axit. Giai đoạn 3: tạo thành mêtan.
Sản phẩm của quá trình lên men mêtan là CH4 chiếm khoảng 65 đến 70% thể tích, khí CO2 chiếm khoảng 25- 30% thể tích và lƣợng nhỏ các khí khác.
Các loại hình hầm biogas:
- Hầm ủ nắp trôi nổi của Trung Quốc; - Hầm nắp trôi nổi của ấn Độ
- Túi ủ nylon của Đài Loan - Hầm biogas phủ bạt nhựa HDPE.
Ưu điểm: áp dụng công nghệ khí sinh học Biogas giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do chất thải rắn gây ra, thu hồi đƣợc nhiên liệu phục vụ đun nấu, thắp sáng.
Nhược điểm:
- Giá thành đắt, công nghệ nhập từ nhiều nguồn khác nhau hiện c n chƣa thống nhất, đ i hỏi ngƣời sử dụng phải có nhiều hiểu biết về kỹ thuật;
- Không xử lý đƣợc nƣớc thải sau hầm biogas.
1.3.3. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi
Đối với nƣớc thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phƣơng pháp xử lý sau: - Phƣơng pháp xử lý cơ học;
- Phƣơng pháp xử lý hóa lý; - Phƣơng pháp xử lý sinh học.
Trong các phƣơng pháp trên, xử lý sinh học là phƣơng pháp chính, các công trình xử lý sinh học thƣờng đƣợc đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý.
1.3.3.1. Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp xử lý cơ học và hoá lý. * Xử lý cơ học.
18
Mục đích là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn hợp nƣớc thải bằng cách thu gom, lắng cặn. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng... để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều kiện xử lý và giảm khối tích các công trình phía sau.
* Xử lý hoá lý.
Sau khi xử lý cơ học, nƣớc thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kích thƣớc nhỏ, có thể dùng phƣơng pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Theo nghiên cứu của
Trương Thanh Cảnh (2001) với nƣớc thải chăn nuôi lợn: phƣơng pháp cơ học và keo tụ có thể tách đƣợc 80-90% hàm lƣợng cặn trong nƣớc thải chăn nuôi lợn. Tuy nhiên phƣơng pháp này đ i hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi. Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phƣơng pháp để loại bỏ cặn trong nƣớc thải chăn nuôi lợn, tuy nhiên chi phí đầu tƣ và vận hành cao nên không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi.
1.3.3.2. Phương pháp xử lý sinh học.
a) Xử lý nƣớc thải chăn nuôi băng phƣơng pháp kỵ khí * Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí
Vào những năm 19 quá trình phân hủy kỵ khí đƣợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đó phƣơng pháp này đƣợc áp dụng cho xử lý nƣớc thải nhờ có những ƣu điểm sau:
- Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí;
- Thời gian lƣu bùn không phụ thuộc vào thời gian lƣu nƣớc. Một lƣợng sinh khối lớn đƣợc giữ lại trong bể;
- Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp oxy nhƣ quá trình xử lý hiếu khí); - Tạo ra một nguồn năng lƣợng mới có thể sử dụng (khí sinh học - Biogas); - Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn, kỵ khí tiếp xúc...
Bên cạnh các ƣu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhƣợc điểm sau:
- Nhạy cảm với môi trƣờng (to, pH, nồng độ kim loại nặng… ; - Phát sinh mùi;
19 - Tốc độ phát triển sinh khối chậm.
Trong công nghệ kỵ khí cần lƣu ý 2 yếu tố quan trọng: - Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt;
- Tạo tiếp xúc đủ giữa nƣớc thải và sinh khối vi khuẩn.
Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng đƣợc xúc tác bởi những enzym đặc biệt. Sơ đồ biểu diễn tổng quát quá trình xử lý kỵ khí [2421]:
Hình 1.3. Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí. Số liệu chỉ %COD trong từng giai đoạn
Giai đoạn 1. Giai đoạn thủy phân: Nƣớc thải chăn nuôi lợn có chứa nhiều polyme hữu cơ phức tạp và không tan trong nƣớc (protein, chất béo, cacrbon hydrat, cexenlulozallulose, ligin.. . Trong giai đoạn thủy phân những polyme hữu cơ bị bẻ gãy bởi các enzym ngoại bào do VSV thủy phân sinh ra để tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn. Phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành acid axit
Chất hữu cơ không tan, protein, hydrat carboncacbon, lipit
Axitcid amin, đƣờng
Axit béoAcid BEO 21 40
34
5 39
Hîp chÊt trung gianHợp chất trung gian (propionat,
butyrat,…) AcetatAxetate Hydro 66 20 11 11 12 8 34 11 23 Metanhane 70 30
Formatted: Level 6, Right: 0.12" Formatted: Font: Times New Roman Formatted: Font: Times New Roman
20
amin, carbon cacbon hydrat thành đƣờng đơn và chất béo thành acid axit hữu cơ mạch dài và glyxerin. Nhƣng phản ứng thủy phân xenlulozacellulose và các chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản xảy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 và các giai đoạn sau, yếu tố này cũng sẽ hạn chế tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí.
Tốc độ của quá trình thủy phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lƣợng vi khuẩn và các yếu tố môi trƣờng khác (tốc độ thủy phân xảy ra rất chậm khi nhiệt độ<200
C)...
Giai đoạn 2. Giai đoạn tạo thành axit: các hợp chất hữu cơ đơn giản từ quá
trình thủy phân đƣợc các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành axit acetic, H2 và CO2.
Giai đoạn 3. Giai đoạn axetat hóa: Sản phẩm của quá trình axit hóa đƣợc
tiếp tục chuyển hóa thành nguyên liệu trực tiếp cho quá trình mêtan hóa. Trong sơ đồ 3.1 cho thấy 70%COD của nguồn đƣợc chuyển thành acid acetic và 30%COD còn lại đóng vai tr là chất cho điện tử và đƣợc chuyển hóa thành CO2 và H2.
Giai đoạn 4 - giai đoạn mêtan hóa: là giai đoạn chậm nhất trong quá trình xử
lý yếm khí. Khí mêtan hình thành từ phản ứng của axit acetic hoặc khí CO2 và H2. Quá trình này đƣợc thực hiện bởi loại VK acetotrophic và hydrogenotrophic.
CH3COOH --> CH4 + CO2 ; 4H2 + CO2 --> CH4 + H2O
Vi sinh vật tạo methane từ hydro và carbonic (hydrogenotrophic) có tốc độ phát triển nhanh hơn nên đóng vai tr quyết định trong quá trình này. Song song với quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình tổng hợp tế bào của tất cả các nhóm vi sinh có mặt trong quá trình xử lý.
Từ cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí cho thấy:
- Theo sơ đồ 3.1 quá trình hình thành mêtan COD chuyển thành H2 chỉ là 30% thông qua nhóm vi khuẩn hydrogenotrophic. Vì vậy, để đạt hiệu quả xử lý COD cao cần tạo điều kiện cho nhóm vi khuẩn này phát triển.
- Trong giai đoạn acid hóa, pH của môi trƣờng bị giảm do hình thành acid béo và các sản phẩm trung gian có tính axit. Mặt khác chủng loại vi sinh tạo methane
21
chỉ phát triển thuận lợi trong môi trƣờng trung tính. Để khắc phục hiện tƣợng “chua” cần tạo thế cân bằng giữa hai quá trình acid hóa và methane hóa bằng cách thúc đẩy hoạt tính của VSV mêtan hóa và duy trì điều kiện đệm (hệ đệm là HCO3-
- CO32-).
Biện pháp xử lý kỵ khí cho chất lƣợng nƣớc đầu ra còn chứa nhiều hợp chất có mùi hôi, vì vậy chúng chỉ đƣợc coi là một bƣớc tiền xử lý trong hệ thống xử lý.
Các công trình kỵ khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi:
* Bể Biogas: Đây là phƣơng pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết
các cơ sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình. Ƣu điểm của bể Biogas là có thể sản xuất đƣợc nguồn năng lƣợng khí sinh học để thay thế đƣợc một phần các nguồn năng lƣợng khác.
Trong bể Biogas các chất hữu cơ đƣợc phân hủy một phần, do đó sau iogas nƣớc thải có hàm lƣợng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn. ùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp. Cùng với việc có nguồn năng lƣợng mới sử dụng, còn góp phần giảm thiểu hiện tƣợng chặt phá rừng và bảo vệ môi trƣờng. Khí Biogas là một nguồn năng lƣợng có triển vọng trong tƣơng lai đồng thời góp phần bảo vệ môi trƣờng và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên.
Bảng 1.9. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas Loại khí Thành phần khí CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1% Khi đốt cháy 1m3
hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lƣợng khoảng 4.500-6.000 calo/m3 tƣơng đƣơng với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện [139].
Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nƣớc thải chăn nuôi, thời gian lƣu nƣớc, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lƣợng khí sinh ra là khác nhau.
23
Bảng 1.10. Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp
Động vật Khí đƣợc sản sinh (l/kg chất thải rắn) Thực vật Khí đƣợc sản sinh (l/kg chất thải rắn) Lợn 340-500 Cỏ 90-130 Gà 310-620 Rơm 105 Bò 280-550 Bèo tây 375
Các quá trình sinh hóa trong bể Biogas:
Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas nhƣ sau: Nhóm vi khuẩn biến dƣỡng xenluloza và nhóm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhóm vi khuẩn biến dƣỡng xenluloza: Những vi khuẩn này đều có enzym xenlulolaza và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử. Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Trong điều kiện yếm khí chúng phân hủy tạo ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nƣớc nhƣ formandehit, acetat, ancol methylic.. Các chất này đều đƣợc dùng để dinh dƣỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: Nhóm này rất chuyên biệt và đ đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng bởi W.E.Balch và cs.., 1997 ở Mỹ, đƣợc xếp thành 3 bộ, 4 họ, 17 loài. Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định. Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan, nhƣ vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển cần có lƣợng CO2 đủ trong môi trƣờng, nguồn nitơ khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 20:1. Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dƣỡng,…