Các tác giả Ancheng Luo; Jun Zhu; Pius M Ndegwa (2002) đã nghiên cứu về hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn với điều kiện sục khí liên tục và khơng liên tục ở bể ơ xi hóa khử thấp. Kết quả cho thấy: Sục khí ở tốc độ 0 – 0.667 L/ph.L liên tục làm giảm T-N, NH4+
-N tương ứng 24%, 32,3% (với đầu vào T-N là 2,88 g/l). Sục khí khơng liên tục (tắt bật sau 2 giờ) đạt được khoảng ½ hiệu quả loại bỏ T-N và NH4+-N như sục khí liên tục [13]. Cũng nghiên cứu về các hệ mẻ sục khí khơng liên tục, nhưng có các điều chỉnh về mặt vận hành và thêm hóa chất MgSO4 làm kết tủa NH4-N của nhóm tác giả Takaaki Maekawa, Chung - Min Liao và Xing - Dong Feng (1995) nên đã đạt được hiệu quả xử lý cao hơn. Hiệu suất loại bỏ T-N từ 1166 xuống 102 mg/L và NH4+-N từ 519 xuống 2 mg/L, tương ứng đạt 91 và 99% với điều kiện hoạt động được lựa chọn là: pH = 7,5; thời gian lưu thủy lực là 1 giờ; nhiệt độ 25oC; sục khí tắt mở sau 1 giờ; tỷ lệ NH4-N:PO4-P:Mg = 1:0,6:0,9.
Phản ứng kết tủa amoni:
Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H20 ↔ MgNH4PO4.6H20 ↓
Các nghiên cứu loại bỏ nitơ gần đây thường sử dụng hệ xử lý theo mẻ liên tục SBR. Hệ SBR gồm rất nhiều giai đoạn xử lý được thực hiện trong cùng một bể phản ứng. Hệ SBR có khả năng loại bỏ các chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi sau khi qua phân hủy kỵ khí. Kết quả nghiên cứu của nhóm D.Obaja cho thấy: với chế độ vận hành HRT 8 giờ mỗi chu kỳ và SRT 11 ngày, nồng độ bùn trong bể dao động 3000 – 4000 mg/L: Trong 2 giờ đầu (giai đoạn kỵ khí), hầu như nồng độ nitơ khơng thay đổi. Sau đấy, q trình nitrat hóa xảy ra trong 4 giờ, NH4+ chuyển sang
NO3-. Trong giai đoạn thiếu khí, nitrat giảm, chuyển sang N2. Giai đoạn này hệ cần bổ sung nguồn cacbon bên ngoài vào như axit acetic, etanol. Hiệu suất loại bỏ nitơ đạt được rất cao, 99,7%. Tuy nhiên, khi nồng độ NH4+ cao hơn 500 mg/L, q trình nitrat hóa khơng xảy ra hoàn toàn. Chẳng hạn, với nồng độ NH4+
550 mg/L, nồng độ NH4+ đầu ra là 50 mg/L, mặc dù hiệu suất đạt được vẫn rất cao, 90,9% [19]. Do đó, hệ này cần phải tăng hàm lượng sinh khối trong bể phản ứng hoặc phải kéo dài thời gian sục khí.
Hee Seok Kim và các cộng sự (2008) đã nghiên cứu tăng cường khả năng loại bỏ nitơ của nước thải chuồng lợn bằng màng lọc kết hợp với bể phản ứng nitrat hóa. Thơng thường nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và phốtpho. Do đó, rất khó để duy trì tốt hiệu quả chất lượng bằng q trình bùn hoạt tính truyền thống. Vi sinh oxy hóa chất hữu cơ có giá trị năng suất cao hơn so với VSV nitrat hóa. Nếu thời gian lưu bùn (SRT) ngắn hơn thì sẽ rất khó để ổn định VSV nitrat hóa. Vì thế các tác giả đã sử dụng hệ MBR để đạt được thông số MLSS cao và thời gian lưu bùn dài nhằm tăng cường hoạt động bể nitrat hóa. Các tác giả đã sử dụng hệ thống AO và AO2 với thời gian lưu nước (HRT) 5 ngày. Trước bể nitrat hóa kết hợp với hệ thống AO, nguồn amoni đầu vào được duy trì ở nồng độ cao để quá trình nitrat hóa chiếm ưu thế ở bể nitrat hóa. Hệ thống AO2 được kết hợp với bể thiếu khí 6 L, bể hiếu khí 12L và bể nitrat hóa 9L. Hệ thống được nghiên cứu với 4 bước: thay đổi tỷ lệ tuần hoàn, thay đổi HRT, và trường hợp có hoặc khơng có bể nitrat hóa. Nước thải chuồng lợn đã được tiền xử lý bằng ly tâm và tiền xử lý sinh học. Đặc tính nước thải đầu vào: COD 6419 mg/L, T-N 4212 mg/L, NH4+-N 2560 mg/L và NO3--N 1050 mg/L. Như vậy, trong trường hợp này tỷ lệ C/N rất thấp. Trong hệ thống AO, tỷ lệ tuần hoàn thay đổi từ 100% đến 500%. Kết quả cho thấy tỷ lệ tuần hoàn 300% đạt được hiệu quả tốt nhất. Kết quả loại bỏ T-N của hệ AO2 là 238 mg/L và đạt hiệu suất 94%, còn hệ AO chỉ đạt 539mg/L. Như vậy hiệu suất loại bỏ là 56% tăng so với hệ AO. Đặc biệt, hiệu suất loại bỏ NH4+-N là 68% và NO3-
bể nitrat hóa có thể đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc loại bỏ nitơ mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon trong trường hợp tỉ số C/N thấp [16].
- Nghiên cứu xử lý phốtpho:
Xử lý hóa lý làm giảm hầu hết T-P bởi làm giảm số lượng các hạt rắn lơ lửng trong nước thải và làm kết tủa T-P bằng các hợp chất của sắt, nhôm và canxi.
Nghiên cứu của D. M. Weaver & G. S. P. Ritchie về loại bỏ phốtpho từ nước thải chuồng lợn cho thấy, hiệu quả loại bỏ T-P bằng vơi tơi và hóa lý đạt 95% và không ảnh hưởng bởi chất lượng nước thải.
Theo nghiên cứu của Ancheng Luo (2002), có thể làm giảm PO43- đồng thời tiết kiệm năng lượng bằng cách sục khí khơng liên tục ở mức ơxi hóa thấp. Trong vịng 24 giờ đã loại bỏ được 75% PO43-. Khả năng loại bỏ phốtpho giữa sục khí liên tục và khơng liên tục khơng có sự khác nhau nhiều [13].
H. Kim và các cộng sự (2005) đã nghiên cứu về hệ thống MBR gồm các bể sinh học theo chuỗi thiếu khí - hiếu khí rồi hiếu khí - hiếu khí để loại bỏ nitơ, phốtpho và các hợp chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi. Các màng làm từ polysulfone với trọng lượng phân tử (MWCO) 30kDa; diện tích bề mặt của màng là 0,5 m2. HRT tối đa của bể thiếu khí, hiếu khí, hiếu khí khơng liên tục và hiếu khí tương ứng là 5.3, 3.3, 5.9 và 4.2 ngày, trong khi tỉ lệ tái sinh bên trong của #1, #2, #3 từ 860% - 1.060%, và duy trì tương ứng ở 150 và 100%. Trong quá trình hoạt động, tại bể phản ứng sinh học MLSS dao động trong khoảng 4.040 - 11.100 mg/L, và nhiệt độ tại bể phản ứng sinh học dao động từ 25,3 - 40,2 oC. Thời gian lưu bùn (SRT) khoảng 24 - 61 ngày. Trong 6 tháng hoạt động, hiệu quả loại bỏ T-P đạt 82.7% với đầu vào dao động trong khoảng 34 - 192 mg/L [18].
- Nghiên cứu về keo tụ:
Các nghiên cứu về keo tụ cũng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Việc loại bỏ phốtpho được thực hiện bằng phương pháp kết tủa bởi những hóa chất phổ biến như phèn nhơm, vôi tôi, phèn sắt và các chất trợ keo tụ. Kết tủa struvite MgNH4PO4.6H2O đã được cải tiến và có thể loại bỏ cả phốtpho và nitơ. Các
yếu tố ảnh hưởng như pH và liều lượng hóa chất đã được nhóm tác giả P.H. Liao, Y. Gao và K.V. Lo nghiên cứu. Chế độ khuấy được thực hiện trên máy jar test trong các cốc 500 ml: khuấy nhanh 100 vòng/phút trong 5 phút, sau đấy khuấy chậm 20 vòng/phút trong 30 phút. Cuối cùng để lắng 100 phút. Kết quả cho thấy, hiệu quả loại bỏ phốtpho cao nhất ở pH= 9, trong khi đó hiệu quả loại bỏ amonia cao nhất ở pH= 11. Polyme PERCOL 728 đã được sử dụng làm chất trợ keo tụ. Và việc kết hợp giữa MgNH4PO4.6H2O và PERCOL 728 có hiệu quả cao hơn trong việc loại bỏ phốtpho, amonia và chất rắn lơ lửng [21].
J. Dosta, J. Rovira, A. Gali, S. Mace, J. Mata-A lvarez cúng đã khảo sát quy trình kết hợp keo tụ/tạo bơng trong hệ SBR để loại bỏ COD và nitơ trong quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Qua khảo sát cho thấy nồng độ FeCl3 tối ưu là 800mg/L với chế độ khuấy: khuấy nhanh trong 30 giây, sau đó khuấy chậm 15 phút, và cuối cùng để lắng 20 phút. Kết quả là T-COD và SS giảm tương ứng trên 66 và 74%, và loại bỏ T-N trên 98% khi làm việc với thời gian lưu nước HRT 2,7 ngày và SRT 12 ngày, nhiệt độ 32oC, 3 giai đoạn hiếu khí với 1 giai đoạn thiếu khí, sục khí ngắt nghỉ. Liều lượng chất keo tụ như trên không gây ảnh hưởng đến hoạt động của VSV nitrat hóa và khử nitrat hóa [22].
Nghiên cứu tiền xử lý hóa lý bằng keo tụ kết hợp với MBR để nâng cao hiệu quả xử lý và giảm hiện tượng tắc màng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã được H.Kim và các cộng sự (2005) thực hiện trong 5 tháng. 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%, trong đó hiệu suất loại bỏ nitơ thấp hơn các thơng số khác. Hiệu suất loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4% chủ yếu là do trung hịa điện tích. Nước thải sau quá trình xử lý keo tụ được thu gom lại và là đầu vào của MBR với tải lượng COD trung bình là 0,57 kg COD/m3 ngày. Độ đục đầu vào biến động từ 1,7 – 56,0 NTU không làm ảnh hưởng đến đầu ra độ đục, vẫn duy trì dưới 2,0 NTU. Chất hữu cơ và nitơ được loại bỏ đáng kể trong MBR. Hiệu suất loại bỏ BOD, COD, độ đục và NH3-N trong quá trình MBR đạt tương ứng 99,5; 99,4; 99,8 và 98,2%.
Do sự xuất hiện của vi tảo và các sinh vật lơ lửng gây cản trở quá trình xử lý COD và nitơ, phốtpho nên nhóm tác giả Ignacio de Godos, Hector O. Guzman, Roberto Soto (2010) đã tiến hành đánh giá khả năng loại bỏ sinh khối tảo và vi khuẩn từ nước thải lợn bằng các hóa chất keo tụ phổ biến là sắt chorua và sắt sunfat và các polyme như: Drewfloc 447; Flocudex CS/5000; Glocusol CM/78; Chmifloc CV/300 và Chitosan. Các thí nghiệm được thực hiện trong các cốc 100 ml, trong đó có 40 ml vi khuẩn tảo và khuấy ở 300 vòng/phút trong 1 phút và để lắng trong 10 phút. Hiệu quả loại bỏ sinh khối S.obliquus, Chlorella, C. sorokiniana, Chlorococcum sp cao nhất của muối sắt (FeCl3 và Fe2(SO4)3) đạt được là 66 – 98% khi ở nồng độ 150 – 250 mg/L. Với nồng độ muối sắt thấp hơn 50 mg/L hiệu quả loại bỏ tảo thấp. Khi thêm các chất keo tụ thường làm giảm pH từ 10 – 10,5 xuống 3 – 3,7 ở nồng độ muối sắt 250 mg/L. Bên cạnh đấy, hiệu quả keo tụ giảm khi sử dụng nồng độ polyme keo tụ quá liều. Trong thí nghiệm với Chitosan, mặc dù Chitosan có hiệu quả keo tụ tốt nhất trong việc loại bỏ các vi tảo thường được ghi nhận ở mức nồng độ 25 mg/L, tuy nhiên kết quả đạt được trong các thí nghiệm này thấp hơn so với các lần trước, cụ thể hiệu quả loại bỏ dưới 40% đối với C. sorokiniana, Chlorococcum sp. và S. obliquus, và chỉ đạt 58 ± 8% đối với Chlorella Consortium. Kết quả thấp này có thể do các hạt keo hữu cơ tương tác với Chitosan. Thí nghiệm với Chitosan với nồng độ từ 50 – 250 mg/L không thấy làm tăng khả năng loại bỏ sinh khối vi tảo. pH giảm xuống 3,7 khi tăng liều lượng Chitosan do xuất hiện axit acetic. Chitosan trong nghiên cứu của Sukenic et al. (1988) và Buelna et al. (1990) tối ưu ở nồng độ 10 và 20 mg/L. Sử dụng chất keo tụ polyacrylamide như Flocusol CM-78, Drewfloc 447, Chemifloc CV-300 và Flocudex CS-5000 với nồng độ thấp (5 – 50 mg/L) là cần thiết để loại bỏ hầu hết sinh khối vi tảo. Đối với S. obliquus, Chlorococcum sp. và C. sorokinianabiomass thì polyme Flocusol CM- 78 tối ưu ở nồng độ 50 mg/L, đạt hiệu suất 83–92%. Đối với Chlorellaconsortium thì nồng độ polyme tối ưu là 100 mg/L, hiệu suất loại bỏ sinh khối đạt 94%. Khả năng loại bỏ sinh khối tối ưu của Chmifloc CV/300 là 84 - 91% khi ở nồng độ 25 mg/L. Flocudex CS-5000 đạt hiệu suất 74 - 90% ở 25 mg/L. Cũng giống Chitosan,
khi tăng nồng độ chất keo tụ cũng làm giảm hiệu suất keo tụ do hình thành các lực đẩy. Tóm lại, trong việc loại bỏ sinh khối tảo, các polyme thương mại được sử dụng ở nồng độ thấp hơn so với các chất keo tụ của muối sắt [18].
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý sinh học:
Trong nghiên cứu của Ancheng Luo và cộng sự (2002), khi thay đổi chế độ sục khí từ 0 – 0,667 L/ph liên tục, T-N và NH4+-N giảm tương ứng 24 và 32,3% (với đầu vào T-N là 2,88 g/l). Sục khí khơng liên tục (tắt bật sau 2 giờ) đạt được khoảng 50% hiệu quả loại bỏ T-N và NH4+-N như sục khí liên tục [13].
Liên quan đến chế độ sục khí là chỉ số ơxy hịa tan (DO). Chỉ số DO đóng vai trị quan trọng trong việc loại bỏ nitơ. Khơng cung cấp đủ oxy làm giảm khả năng loại bỏ NH3-N. Trong hệ MBR: Hiệu suất loại bỏ NH3-N giảm xuống còn 92,8% khi nồng độ DO giảm cịn 1,0 mg/L. DO nên duy trì trên 2 mg/L ở bể hiếu khí để hệ MBR hoạt động ổn định.
Theo nghiên cứu của H. Kim và cộng sự (2005), nhiệt độ trong bể phản ứng sinh học trong mùa hè thường tăng lên khoảng 50oC do một lượng lớn nhiệt thoát ra từ phản ứng sinh học trong chất hữu cơ nên cần phải làm giảm xuống 35oC để tránh ức chế quá trình nitrat hóa. Theo đó cần phải kiểm sốt nhiệt độ để có được phản ứng nitrat hồn tồn mà khơng cần thiết bị làm mát. Kiểm soát nồng độ MLSS ở bể sinh học được lựa chọn như là một giải pháp, kết quả là nhiệt độ ở bể sinh học trong mùa hè được duy trì thấp hơn 40oC. Khi nhiệt độ ở bể sinh học được kiểm soát, tốc độ nitrat đạt khoảng 99,5%. Kết quả này có thể giải thích hoặc do vi khuẩn nitrifying được duy trì ở bể sinh học hoặc do thời gian lưu dài và sự tăng nhiệt độ [18].
Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải chăn ni lợn tại xóm Múi, xã Bích Hịa, 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. Mẫu nước thải được loại bỏ cặn thô, vật nổi, thức ăn thừa...đem về phịng thí nghiệm;
- Hệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với màng lọc vi lọc polyme;
- Hóa chất keo tụ: phèn sắt Fe2(SO4)3, phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O.
2.2. Phƣơng phá p nghiên cƣ́u
2.2.1. Phương phá p thu thập xử lý số liê ̣u
Đã thu thập, kế thừa các tài liệu, số liệu, nguồn thông tin liên quan từ nhiều nguồn khác nhau: sách; các bài báo khoa học trong các tạp chí; luận văn… từ thư viện và các nguồn tài liệu từ internet.
2.2.2. Phương phá p phân tích đánh giá
Để khảo sát các yếu tố liên quan đến nội dung nghiên cứu, đã tiến hành các nhóm phân tích đánh giá như sau:
Bảng 2.1. Phương pháp phân tích đánh giá
STT Chỉ tiêu Thiết bị phân tích Tiêu chuẩn
1 pH Điện cực đo pH TCVN 6492:2011
2 NH4+ (N) Điện cực đo NH
3-N TCVN 6620 – 2000 3 NO3- (N)
Máy đo quang UV THERMO
ELECTRON COVPORATION TCVN 6620 – 2000 4 NO2- (N)
STT Chỉ tiêu Thiết bị phân tích Tiêu chuẩn
6 N-tổng Thiết bị cất nitơ VELD –
Scientifica (UDK142) TCVN 6835 – 2011
7 COD Máy phá mẫu COD (DRB200);
Thiết bị chuẩn độ TCVN 6491:1999 8 Độ màu Máy đo màu (HI 96727) TCVN 6185:2008 9 Độ đục Máy đo độ đục HANNA HI93703 TCVN 6184:1996
10 TSS Giấy cân, bộ lọc, cân phân tích, tủ
sấy TCVN 6625:2000
11 T-P Bếp phá mẫu; Máy UV-VIS TCVN 6202:2008 12 Coliform Bộ kit làm vi sinh TCVN 6187-1:2009
2.3. Phƣơng phá p thƣ̣c nghiê ̣m
2.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn tiền xử lý nước thải chăn nuôi