Sau khi đã lựa chọn được pH tối ưu của phèn sắt đối với nước thải chăn nuôi lợn, tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ. Tiến hành với nồng độ phèn sắt tăng dần từ 400 – 1200 mg/L ở pH ~ 8. Kết quả thu được thể hiện trong Bảng 3.3 và trên Hình 3.2.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý
STT Nồng độ phèn sắt (mg/L) COD (mg O2/L) SS (mg/L) Độ đục (NTU) Độ màu (Pt-Co) PO43- (mg/L) 1 0 4960 987 1206 9400 22,9 3 400 2570 278 278 2800 19,0 4 600 2440 291 234 2900 17,5 5 800 1970 119 224 2200 17,1 6 1000 1860 105 227 1400 13,6 7 1200 1762 123 234 1200 15,7
Hiệu suất xử lý COD, SS, độ đục, độ màu và phốtpho trong nước thải chăn ni bằng phèn sắt tại các thí nghiệm được thể hiện trên Hình 3.2:
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 400 600 800 1000 1200 H iệ u su ất x ử lý (%) Nồng độ phèn sắt (mg/l) COD SS Độ đục Độ màu PO4
Kết quả tại bảng 3.2 và đồ thị hình 3.2 nhận thấy, ở pH 8 phèn sắt đạt hiệu quả xử lý cao nhất khi nồng độ 1000 - 1200 mg/L. Tại khoảng nồng độ này, hiệu suất xử lý COD, SS, độ đục, độ màu tương ứng là 64,5; 87,5; 80,6 và 87,2%. Ngồi ra, q trình keo tụ bằng phèn sắt cịn xử lý được một phần phốtpho trong nước thải chăn nuôi. Hiệu suất xử lý phốtpho đạt lớn nhất 40,1% tại nồng độ chất keo tụ là 1000 mg/L.
So sánh với nghiên cứu của Seung Hwan Lee (2009) khi xử lý nước thải chuồng lợn bằng quá trình keo tụ - MBR được theo dõi trong 5 tháng đã cơng bố thì hiệu suất trung bình loại bỏ BOD, COD, NH3-N trong quá trình keo tụ tương ứng là 64,3; 77,3 và 40,4% [22]. Hiệu suất loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4%. Kết quả của Seung Hwan Lee (2009) cao hơn một chút so với kết quả của thí nghiệm trong nghiên cứu này.
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học
Vâ ̣n hành giai đoạn xử lý sinh học: Thời gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 - 60 ngày; Dịng tuần hồn so với dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h [9]. Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lấy mẫu ở các bể, kết quả nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 3.4:
Bảng 3.4. Một số đặc tính của nước thải chăn ni lợn đầu vào (M1) hệ xử lý
Thời gian (ngày) pH COD (mg O2/L) N-NH4+ (mg/L) P-PO43- (mg/L) 1 8,31 2140 312,6 24,7 2 7,84 2700 331,2 32.65 3 8,03 3050 199,0 30,88 4 8,10 6880 538,2 28,32 5 8,20 2250 156,6 37,49 6 7,78 5000 374,2 47,7 7 7,90 2250 150,3 24,99 8 8,03 6200 335,6 39,72 9 8,01 27,72
Từ Bảng 3.4 thấy rằng, qua thời gian khảo sát, giá trị COD, nồng độ N-NH4+ trong nước thải đầu vào không ổn định và ở mức ô nhiễm cao:
- pH dao động từ 7,78 đến 8,31;
- COD thay đổi từ 2140 đến 6880 mg O2/L; - N-NH4+ thay đổi từ 139,9 đến 538,2 mg/L; - P-PO43- thay đổi từ 24,7 đến 47,7 mg/L.
Điều này phản ánh thực tế nước thải lợn ln 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 q trình hoạt động của vi sinh trong hệ xử lý; nhiệt độ của nước thải đầu vào cũng ảnh hướng lớn đến quá trình xử lý, nhiệt độ lý tưởng cho quá trình sinh học là 35oC.
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học
Hợp chất hữu cơ giàu thành phần cacbon có khả năng sinh huỷ (BOD5) khi tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại VSV phát triển. Với các loại VSV hiếu khí, trong q trình phát triển và hoạt động chúng tiêu thụ một lượng oxy hòa tan lớn, với mật độ cao sẽ gây đục nước và lắng xuống lớp bùn đáy khi chết.
Ghi chú: M1 - Đầu vào SH; M2 - Đầu ra yếm khí; M3 - Đầu ra thiếu khí; M4 - sau màng lọc
Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học
Hiệu suất xử lý COD qua các bể được ước tính theo cơng thức:
Trong đó CODv (mg/L) và CODr (mg/L) lần lượt là COD đầu vào và đầu ra các bể xử lý.
Kết quả cho thấy COD đầu vào dao động trong khoảng lớn, từ 2140 - 6880 mg/L. Nước thải đầu vào có khoảng dao động lớn như vậy bởi vì nước thải chăn ni khơng đồng nhất giữa các thời gian xả thải và các ngày. Nước thải bao gồm phân và nước tiểu của lợn có giá trị COD cao hơn nước thải phần lớn là nước rửa chuồng, nước tắm cho lợn. 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.
Ở bể yếm khí, kết quả cho thấy, khi COD, BOD đầu vào tăng, nồng độ đầu ra cũng tăng ở đầu ra của hệ thống yếm khí đạt 1110 – 3560 mg/L. Như vậy ở hệ thống này hiệu quả xử lý đạt khoảng 50%. Điều này có thể được giải thích: việc loại bỏ các hợp chất cacbon trong điều kiện yếm khí một phần là các chất hữu cơ hịa tan được chuyển hóa thành khí metan và CO2. Mặt khác, các hợp chất hữu cơ này thơng qua q trình lên men, nó cũng có thể tạo thành các chất hữu cơ mạch ngắn. Bởi vậy, khi tốc độ chuyển hóa thành CO2 và CH4 chậm hơn so với tốc độ lên men thủy phân chất hữu cơ từ mạch dài sang mạch ngắn, nó có thể cịn làm cho COD trong nước tăng lên. Tuy nhiên, trong hệ thống được nghiên cứu, thì hiệu suất loại bỏ COD đạt 50%. Điều này cho thấy hiệu quả của hệ thống là khá cao.
Trong bể thiếu khí: Sau khi đã được xử lý qua bể yếm khí, thì hàm lượng COD đầu vào của bể là 1110 – 3560 mg/L, sau khi qua bể thiếu khí, COD cịn lại là 720 – 2110 mg/L, tương ứng với hiệu suất xử lý là 35 – 45%. Điều này là do các hợp chất hữu cơ mạch ngắn được VSV sử dụng để tạo sinh khối và một phần được sử dụng trong q trình lên men yếm khí.
Trong bể hiếu khí: Sau khi qua bể thiếu khí, hàm lượng COD đầu vào bể hiếu khí cịn 720 – 2110 mg/L. Sau khi được xử lý qua bể hiếu khí thì COD cịn 202 – 509 mg/L, tương ứng với hiệu suất là 46,2 – 74,1%. Hiệu suất xử lý ở bể hiếu khí cao hơn so với các bể khác. Điều này có thể được giải thích như sau: trong bể hiếu khí với việc bổ sung thêm oxy khơng khí đã xảy ra q trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ để tạo thành CO2. Mặt khác, khi sử dụng màng lọc, có một lượng chất rắn bám dính trên màng như sinh khối, nó đóng vai trị làm vật liệu hấp phụ, nó sẽ hấp phụ một phần các hợp chất hữu cơ hòa tan. Bởi vậy, hiệu quả xử lý tăng lên rõ rệt so với các bể khác trong hệ thống. Điều này cho thấy tính hiệu quả cao của việc sử dụng màng lọc. Nó làm giảm thời gian lưu, giảm chi phí đầu tư hệ thống.
Nhìn chung, các thông số đầu vào biến thiên nhưng hiệu suất xử lý của hệ tương đối ổn dịnh và không dao động quá lớn. Hiệu suất xử lý COD đạt mức từ 85 –
sinh học nhưng nếu lựa chọn các thông số vận hành hệ xử lý phù hợp thì hiệu quả xử lý trong q trình xử lý sinh học sẽ khơng bị ảnh hưởng nhiều.
3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni
Ơxy hóa amoni với tác nhân ơxy hóa là ơxy phân tử được hai loại VSV
Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện kế tiếp nhau:
NH4+ + 1,5 O2 NO2-
+ 2 H+ + H2O NO2- + 0,5 O2 NO3-
NH4+ + 2 O2 NO3-
+ 2 H+ + H2O Hiệu suất xử lý amoni được ước tính theo cơng thức :
Trong đó NH4v (mg N/L) và NH4r (mg N/lít) lần lượt là nồng độ NH4+ trước và sau xử lý.
Ghi chú: M1 - Đầu vào SH; M2 - Đầu ra yếm khí; M3 - Đầu ra thiếu khí; M4 - sau màng lọc
Từ kết quả thể hiện trên đồ thị Hình 3.4 nhận thấy, sau khi qua bể yếm khí, nồng độ amoni có xu hướng tăng lên do trong bể yếm khí, các vi khuẩn sẽ phân giải các chất hữu cơ và sinh ra NH3-N, và với pH trong bể khoảng 7,9 - 8,5 nên sẽ chuyển thành dạng NH4+
-N. Tại bể yếm khí hiệu suất xử lý NH4+ đạt tỷ lệ thấp khoảng 20% chủ yếu là do vi sinh sinh trưởng xây dựng tế bào, đồng thời cũng xảy ra hiện tự phân hủy tế bào chết.
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 hồn, nên xảy ra phản ứng oxy hóa amoni. Ngồi ra, hàm lượng NH4+ sau bể thiếu khí (M3) thấp là do được pha lỗng từ dịng tuần hồn.
Trong môi trường hiếu khí, chủng vi sinh có chức năng chuyển hố amoni (NH4+ hay NH3) thành nitrat là loại nitrosomonas và nitrobacter. Chúng là loại vi sinh tự dưỡng sử dụng nguồn carbon vô cơ trong nước - muối bicarbonat, làm cơ chất theo phản ứng :
1,02 NH4+ + 1,89 O2+ 2,02 HCO3- 0,021 C5H7O2N + 1,06 H2O + 1,92 H2CO3 + 1,0 NO3- Phương trình trên là tổng của ba quá trình: phát triển sinh khối (nitrosomonas, nitrobacter), oxy hoá NH4+
thành nitrit và nitrit thành nitrat [3]. Quá trình oxy hố trên có vai trị cung cấp năng lượng cho VSV.
Hiệu suất xử lý amoni của hệ sinh học nghiên cứu là tương đối cao 93,0% đến 96,5%. Amoni được xử lý chủ yếu ở bể hiếu khí. 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. Ngồi ra,
amoni cịn có thể bị loại bỏ nhờ khả năng lọc rất tốt của màng lọc. Mặc dù hiệu suất chuyển hóa amoni cao nhưng nồng độ NH4+- N ở đầu ra còn cao (7,16 – 22,11 mg/L), điều này là do thời gian lưu chưa đủ dài để hệ vi sinh có thể chuyển hóa hồn tồn lượng amoni.
3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat
Hàm lượng nitrat và nitrit trong nước thải đầu vào rất nhỏ, chỉ khoảng < 0,6 mg/L. Nitrat, nitrit là sản phẩm trong q trình chuyển hóa amoni. Kết quả phân tích chuyển hóa amoni thành nitrat trong bể hiếu khí được thể hiện trên Hình 3.5.
Hình 3.5. Diễn biến NO3--N theo thời gian
Nhận thấy nitrat sau bể hiếu khí khá cao, dao động từ 70 – 150 mg/L. Ngun nhân là do q trình nitrat hóa xảy ra gần như hồn tồn nên hầu hết amoni được chuyển hóa thành nitrat. Lượng NH4+-N đầu vào dao động 139,9 – 538,2 mg/L nên lượng NO3--N được hình thành cũng tương đương. Để xử lý nitrat cần mơi trường thiếu khí. Do đó, nitrat đầu ra bể hiếu khí được tuần hồn lại bể thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat. Hiệu suất khử nitrat phụ thuộc vào tỷ lệ dịng tuần hồn. Với tỷ lệ dịng tuẩn hồn 300%, hiệu suất xử lý nitrat của hệ đạt được 40 – 72,5%. Theo lý thuyết, hiệu suất khử nitrat với tỷ lệ dịng tuần hồn 300% có thể đạt được 75%. Như vậy kết quả đạt được trong thí nghiệm là có thể chấp nhận được. Kết quả đạt được cao là do nước thải chăn nuôi sử dụng trong nghiên cứu có tỷ số COD/NH4-N là 12,7 – 18,5 (>5). Khả năng khử nitrat thường được thể hiện ở tỷ số TCOD/TKN hoặc TCOD/NH4-N. Yêu cầu cân bằng hóa học cho q trình khử
hơ hấp nội sinh trong q trình khử nitrat. Do đó, tỷ số TCOD/ NH4+-N để có thể khử nitrat hồn tồn bằng q trình bùn hoạt tính đối với nước thải chăn ni là ≥ 5 [22]. Do đó, với nguồn nước thải này, hệ sinh học có thể xử lý hồn tồn nitơ mà khơng cần bổ sung nguồn cacbon bên ngồi vào, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất.
3.3.4. Hiệu suất xử lý PO43-
-P
Khả năng xử lý PO43--P được biểu diễn trên Hình 3.6.
Ghi chú: M1 - Đầu vào SH; M2 - Đầu ra yếm khí; M3 - Đầu ra thiếu khí; M4 - sau màng lọc
Hình 3.6. Diễn biến PO43-
-P qua các bể theo thời gian
Quan sát trên đồ thị Hình 3.6 nhận thấy, nồng độ PO43-
-P đầu vào của nước thải chăn nuôi lợn dao động trong khoảng từ 24,7 – 47,7 mg/L. Hiệu suất xử lý PO43--P của hệ trong nghiên cứu đạt 79 – 91%, tương ứng đầu ra 3,1 – 7,6 mg/L, (trung bình 5,35 mg/L < 6 mg/L) đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại B của QCVN 40-
2011/BTNMT. Hiệu suất xử lý PO43--P cao hơn một phần do cách bố trí các bể xử lý gồm có yếm khí, thiếu khí, hiếu khí và làm việc với nồng độ bùn cao; một phần quan trọng tạo nên sự khác biệt nữa đó chính là sử dụng màng lọc. Nhờ khả năng tách loại các hợp chất phôtpho cùng với các tạp chất khác rất tốt của màng lọc vi lọc nên làm giảm lương phơtpho đầu ra.
Nhận xét:
- Đặc tính nước thải đầu vào ảnh hưởng tới q trình xử lý các chất ơ nhiễm trong hệ xử lý như nồng độ chất chất ô nhiễm đầu vào, giá trị pH …
- Trong quá trình vận hành hệ xử lý nước thải đầu vào cần đưa vào bể yếm khí có tác dụng giảm thiểu sự dao động các thông số ô nhiễm đầu vào cho hệ xử lý. Với việc bố trí hệ xử lý nhiều giai đoạn: yếm khi, thiếu khí, hiếu khí kết hợp màng lọc để xử lý nước thải chăn nuôi lợn giàu chất dinh dưỡng cho hiệu quả rất khả quan. Với thời gian lưu 4 ngày, hiệu quả xử lý COD, NH4+-N, NO3--N và PO43--P lần lượt là 85 – 92,8 %, 93,0% - 96,5%, 40 – 72,5%, và 79 – 91%.
- 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 khơng 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. Do đó, loại bỏ một phần SS, COD ở giai đoạn tiền xử lý là cần thiết.
3.3.5. Khả năng loại bỏ vi khuẩn sau màng vi lọc polyme
Để đánh giá khả năng lọc vi sinh của màng lọc vi lọc, tiến hành lấy mẫu phân tích khảo sát nồng độ Coliforms với tần suất 2 ngày/lần. Kết quả thể hiện trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Mật độ Coliform trước và sau khi xử lý