sắt kết hợp sinh học
Do đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn nhiều cặn lơ lửng và thành COD cao nên rất cần thiết phải có giai đoạn tiền xử lý mục đích để giảm tải lượng đầu vào hệ sinh học và tăng thời gian lưu của bùn yếm khí.
Giai đoạn tiền xử lý bằng phương pháp hóa lý
- Nước thải đầu vào sinh học: lọc sơ bộ , loại bỏ những loại cặn lớn b ằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm.
Từ kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ nước thải chăn nuôi bằng phèn sắt, lựa chọn điều kiện tiền xử lý như sau:
- Xử lý keo tụ nước thải chăn nuôi đầu vào giảm 50% COD: nồng độ phèn sắt 600 mg/L, pH ~ 8;
- Xử lý keo tụ nước thải chăn nuôi đầu vào tại điều kiện tối ưu: nồng độ phèn sắt 1000 mg/L, pH ~ 8.
Giai đoạn xử lý sinh học: nước thải chăn nuôi được mô tả ở mu ̣c 2.3.2. - Vận hành giai đoạn xử lý sinh học: Nồng độ bùn hoạt tính 9000 mg/L; 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].
Hiệu suất xử lý COD của các thi nghiệm thể hiện trên Hình 3.7 như sau:
Hình 3.7. Hiệu suất xử lý COD giai đoạn hóa lý kết hợp sinh học
Từ kết các kết quả Thí nghiệm 3, 4 và 5 có thể thấy rằng hiệu suất xử lý COD khi kết hợp thêm giai đoạn hóa lý cho hiệu suất cao hơn, ổn định hơn, COD đầu ra thấp hơn. Cụ thể, hiệu suất xử lý COD trong điều kiện keo tụ bằng phèn sắt 1000 mg/L là lớn nhất, đạt 96,9 – 98,25%. Khi tiền xử lý với nồng độ phèn sắt 600 mg/L, hiệu suất xử lý COD của hệ đạt 92,47 – 97,9%. Tuy nhiên, khi tiền xử lý với nồng độ chất keo tụ lớn sẽ làm cho phần lớn chất hữu cơ bị loại bỏ dẫn tới hiện tượng thừa NH4+, tỷ lệ C:N giảm gây ra hiện tượng ức chế vi sinh yếm khí, khơng tốt cho các giai đoạn sinh học. Tiền xử lý cần được áp dụng khi nước thải đầu vào có tải trọng ơ nhiễm lớn quá sức chịu tải của hệ. Trong điều kiện vận hành thực tế, để giảm chi phí vận hành ta có thể sử dụng chất keo tụ ít hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học là cần thiết.
3.5. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ ở giai đoạn xử lý tăng cƣờng nƣớc thải chăn nuôi lợn sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp với lọc màng
3.5.1. Đặc tính nước thải sau hệ thống sinh học kết hợp lọc màng MBR
Nước thải chăn nuôi lợn sau khi được xử lý qua hệ sinh học kết hợp màng lọc MBR có đặc điểm như trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý qua hệ sinh học kết hợp lọc màng MBR
STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị QCVN 40:2011/ BTNMT (loại B)
1 pH - 7,8 – 8,5 5,5 - 9
2 COD mg O2/L 220 - 368 150
3 NH4+-N mg/L 3,5 – 9 10
4 Màu Pt-Co 310 - 550 150
Qua kết quả Bảng 3.6 nhận thấy giá trị COD và độ màu chưa đạt tiêu chuẩn loại B QCVN 40:2011/BTNMT, đặc biệt là độ màu gấp 2 – 4 lần. Độ màu nước thải gây nên bởi các hợp chất humic (axit fulvic, axit humic) và độ màu của chúng thay đổi theo trọng lượng phân tử (được thể hiện trên Hình 3.8).
Hình 3.8. Tính chất mang màu khác nhau của các chất humic
Trong quá trình nghiên cứu, quan sát thấy nước thải chăn ni đầu ra có màu vàng nâu đến nhạt dần, do đó loại bỏ nhóm hợp chất humic sẽ làm giảm độ màu và làm giảm COD.
3.5.2. Ảnh hưởng của pH
Tiến hành thí nghiệm như đã mơ tả tai mục 2.3.3, chương 2, kết quả thu được thể hiện trên Hình 3.9:
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu
Qua kết quả thí nghiệm thể hiện trên Hình 3.9 nhận thấy: ở khoảng pH từ 4 – 5 hiệu suất xử lý độ màu của phèn sắt là cao nhất (cao nhất tại pH ~ 4, hiệu suất đạt 78,18%). Trong khi đó, với phèn nhơm là ở khoảng pH từ 5 - 6 (cao nhất tại pH ~ 6, hiệu suất đạt 74,54%). Ở pH ~ 3, hiệu suất xử lý độ màu của cả phèn sắt và phèn nhôm đều thấp nhất. Khi tăng pH lên 5 - 7, hiệu suất xử lý màu của phèn sắt giảm đáng kể, nhưng ở dải pH từ 8 – 9, hiệu suất xử lý màu lại tăng dần lên. Đối với phèn nhôm, hiệu suất xử lý độ màu ở khoảng pH từ 7 – 9 thay đổi không đáng kể. Nguyên nhân của hiện tượng trên có thể là do sự thay đổi điện tích bề mặt các hạt keo trong mơi trường pH khác nhau [10]. Nhìn chung, hiệu suất xử lý độ màu của phèn sắt và phèn nhôm không chênh lệch nhau nhiều.
Theo dõi pH sau khi xử lý nhận thấy thay đổi không đáng kể: cùng ở pH ~ 5, sau xử lý với phèn sắt pH ~ 5,03, với phèn nhơm pH ~ 4,95.
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD
Quá trình keo tụ cũng làm giảm COD đáng kể. Ở khoảng pH từ 4 – 5, hiệu suất xử lý COD của phèn sắt là cao nhất, từ 62, 7 – 68,3%. Trong khi đó, ở phèn nhôm là 41, 6 – 48,4% tại khoảng pH từ 5 – 6. Hiệu suất xử lý COD của phèn sắt nhìn chung cao hơn so với phèn nhôm. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Ahamed Fadel Ashery và cộng sự (2010): hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ của phèn nhôm tốt nhất tại pH ở khoảng 5 – 6. Khi pH tăng, các chất humic sẽ dễ ion hóa hơn bởi vì các nhóm carboxyl sẽ mất proton và điện tích dương trên chất keo tụ kim loại sẽ giảm [12]. Do đó, cần nồng độ chất keo tụ lớn hơn tại các giá trị pH cao hơn.
Như vậy, pH tối ưu của phèn sắt trong khoảng từ 4 đến 5, còn đối với phèn nhôm là pH trong khoảng 5 đến 6.
3.5.3. Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ
Tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ lần lượt tại các pH tối ưu của các chất keo tụ thu được ở phần trên.
Thí nghiệm với nồng độ phèn sắt tăng dần từ 500 – 2000 mg/L ở pH ~ 4. Kết quả thu được thể hiện trên Hình 3.11.
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý
Khi tăng nồng độ phèn sắt từ 500 – 1500 mg/L, hiệu suất xử lý độ màu và COD không tăng mà ngược lại còn giảm, tuy nhiên giảm không đáng kể. Nhìn chung, dải nồng độ phèn sắt từ 500 – 1500 mg/L, hiệu suất xử lý không chênh lệch nhau nhiều và hiệu suất xử lý độ màu cao hơn COD. Khi tăng nồng độ lên 2000 mg/L, hiệu suất xử lý đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là về độ màu, đạt 80%, cịn COD thì tăng nhẹ, đạt 60,3%, tương ứng đầu ra 100 Pt-Co và 146 mg/L.
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ phèn nhơm đến hiệu suất xử lý
Khác với phèn sắt, khi tăng nồng độ phèn nhôm, hiệu suất xử lý độ màu và COD đều có xu hướng tăng. Khi tăng đến nồng độ 2000 mg/L, hiệu suất xử lý độ màu vẫn có xu hướng tăng, nhưng hiệu suất COD lại giảm. Tại nồng độ 2000 mg/L, hiệu suất xử lý độ màu đạt 78,18%, COD đạt 61,78%, tương ứng đầu ra 120 Pt-Co và 94 mg/L.
Nhìn chung, phèn sắt và phèn nhơm có hiệu quả trong việc loại bỏ độ màu và COD trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Tại nồng độ chất keo tụ 2000 mg/L, chỉ tiêu độ màu và COD nước thải đã đạt tiêu chuẩn loại B QCVN 40:2011/BTNMT do bộ Tài nguyên môi trường quy định. Hiệu suất xử lý của 2 chất keo tụ không chênh lệch nhau nhiều, do đó lựa chọn phèn nhơm cho xử lý tăng cường nước thải đầu ra sau hệ MBR. Lý do lựa chọn là vì pH nước thải đầu ra của hệ MBR ở khoảng 7,8 – 8,5 sẽ tốn ít hóa chất để điều chỉnh về pH ~ 6. Và sau khi thêm hóa chất keo tụ vào, pH nước thải sẽ có thể giảm, tuy nhiên thay đổi khơng đáng kể, do đó sẽ khơng phải bổ sung hóa chất để nâng pH lên đạt tiêu chuẩn đầu ra loại B.
3.6. Đánh giá, so sánh hiệu quả và lựa chọn mơ hình tới ƣu xử lý nƣớc thải chăn nuôi
Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các thí nghiệm xử lý nước thải chăn ni lợn, thực hiện so sánh và đánh giá ưu nhược điểm của từng giai đoạn từ đó đề xuất dây chuyền cơng nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Bảng 3.7. Đánh giá ưu nhược điểm của các giai đoạn xử lý
Đánh
giá Giai đoạn tiền xử lý (phèn sắt)
Giai đoạn sinh học kết hợp lọc màng MBA Giai đoạn xử lý tăng cƣờng Ưu điểm - Hiệu quả xử lý COD, SS cao
- Đơn giản trong vận hành
- Ít gây độc cho VSV cho giai đoạn tiếp theo
- Tải trọng cao, có khả năng chịu biến động của nước thải đầu vào - Hiệu quả xử lý COD và N cao - Giảm diện tích xây dựng do mật độ bùn hiếu khí cao và khơng cần bể lắng thứ cấp sau hiếu khí
- Xử lý triệt để được COD và độ màu trong nước thải chăn ni, ngồi ra cịn có thể xử lý phốtpho Nhược điểm - Tốn chi phí hóa chất - Hiệu quả xử lý N và P chưa cao
- Chưa xử lý triệt để được COD và độ màu trong nước thải chăn ni
- Khó kiểm sốt lượng bùn, ngăn lọc yếm khí dễ tắc, khó kiểm sốt nếu vận hành độc lập khi xử lý nước thải chăn nuôi
- Tốn năng lượng cho sục khí (cường độ sục lớn)
- Tốn chi phí hóa chất
Trên cơ sở phân tích đánh giá theo bảng trên và qua thực tế tìm hiểu các trang trại chăn nuôi lợn tập trung, dựa trên các yếu tố kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường ở các trại chăn nuôi. Trong luận văn tốt nghiệp, tác giả đề xuất áp dụng sơ đồ dây chuyền công nghệ như sau cho xử lý nước thải trại chăn nuôi lợn tập trung ở Việt Nam:
Nước thải chăn nuôi lợn Keo tụ với phèn sắt nồng độ 600 mg/L, pH = 8 Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí kết hợp lọc màng Keo tụ với phèn nhôm
Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải lựa chọn đáp ứng đầy đủ các yếu tố: chi phí đầu tư xây dựng khơng cao, chi phí vận hành thường xuyên thấp, thỏa mãn các tiêu chuẩn về môi trường đối với ngành chăn ni. Tuy nhiên, cần phải có thêm các khảo sát tính tốn cho phù hợp với điều kiện của từng trang trại.
3.7. Sơ bộ đánh khả năng áp dụng trong thực tế
Hệ xử lý có thiết kế nhỏ gọn, do khơng cần bể lắng cấp hai và bể khử trùng dẫn đến giảm chi phí xây dựng cơ bản và giải phóng mặt bằng, hệ quả là giảm phí thời gian khơng xác định, tăng hiệu quả kinh tế.
Do mật độ sinh khối trong bồn phản ứng cao tới 1 - 1,5% nên một mặt năng xuất xử lí tăng khoảng 5 - 7 lần so với BHT, điều này đồng nghĩa với việc giảm khối tích và chi phí xây dựng, chi phí mặt bằng như đã nêu; mặt khác cho phép lưu bùn lâu và phân huỷ bùn ngay trong bể phản ứng dẫn đến giảm lượng và chi phí xử lí bùn thải.
Tăng cường chất lượng nước ra tới mức cao nhất hiện nay, đặc biệt về khía cạnh các chỉ tiêu vi sinh, điều này cho phép tái sử dụng nước xử lí để giảm thiểu chi phí nước sạch cho các mục đích cơng cộng như tưới cây, rửa phố, rửa xe ...
Công nghệ dễ dàng được triển khai dưới dạng modul cho công suất không hạn chế với chế độ tự động hoá hợp lý, giảm thiểu sự phụ thuộc vào người vận hành, dễ dàng mở rộng công suất.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
1. Nước thải chăn ni lợn lấy tại xóm Múi – xã Bích Hịa – huyện Thanh Oai – Hà Nội có đặc điểm COD, nitơ, phốtpho, Coliform… cao gấp nhiều lần so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), cột B: TSS cao gấp 80 - 300 lần; COD gấp 20 - 60 lần; BOD5 gấp 40 – 70; NH4+-N cao gấp 10 - 50 lần; T-P cao gấp 10 - 20 lần; Coliform cao gấp 190 – 250 lần. 2. Tiền xử lý nước thải chăn nuôi bằng chất keo tụ phèn sắt với nồng độ từ 600
đến1000 mg/L cho hiệu quả xử lý COD, SS cao, ổn định chất lượng nước đầu vào giai đoạn sinh học và ít độc với vi sinh. Đã lựa chọn điều kiện vận hành giai đoạn tiền xử lý với nồng độ phèn sắt là 600 mg/L, tại pH 8 loại bỏ một phần chất hữu cơ, SS, giảm tải cho hệ xử lý sinh học tiếp theo, nhưng vẫn đảm bảo tỷ lệ COD/NH4+-N > 5. Kết quả cho thấy, nước thải chăn nuôi lợn sau khi tiền xử lý bằng chất keo tụ phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 600 mg/L, pH 8 đưa vào hệ sinh kết hợp màng lọc MBR cho hiệu quả loại bỏ COD cao hơn là 92,7 -97,9%.
3. Việc bố trí hệ xử lý sinh học nhiều giai đoạn: yếm khí, 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. Hiệu quả xử lý COD, NH4+-N, NO3--N, PO43--P và Coliform lần lượt là: 85 - 92,8%; 93,0 - 96,5%; 40 - 72,5%; 79 - 91% và 99,97 - 99,98%.
4. Xử lý tăng cường bằng phương pháp keo tụ với phèn nhôm và phèn sắt ở nồng độ 2000 mg/L, nước thải đầu ra đã đáp ứng được các tiêu chuẩn độ màu và COD theo QCVN 40:2011/BTNMT, cột B. Lựa chọn phèn nhôm cho giai đoạn xử lý tăng cường do đáp ứng được tiêu chuẩn nước thải đầu ra và tiết kiệm chi phí hóa chất. 5. Đã đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn: Nước thải chăn
nuôi lợn Keo tụ với phèn sắt nồng độ 600 mg/L, pH ~ 8 Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí kết hợp lọc màng Keo tụ với phèn nhôm nồng độ 2000 mg/L, pH ~ 6 môi trường.
KHUYẾN NGHỊ
1. Cần nghiên cứu thêm hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng các chất keo tụ khác. Ảnh hưởng cụ thể của từng chất keo tụ đến giai đoạn sinh học.
2. Cần nghiên cứu cụ thể sâu hơn đánh giá đặc tính nước thải đầu vào đến quá trình xử lý sinh học: nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào ảnh hưởng tới thời gian lưu; nhiệt độ, pH, hóa chất…ảnh hưởng đến q trình xử lý sinh học.
3. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi trong giai đoạn sinh học với các kỹ thuật phản ứng khác nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
1. Bùi Xuân An (2007), Nguy cơ tác động đến môi trường và hiện trạng quản lý
chất thải trong chăn nuôi vùng Đông Nam Bộ. Đại học Nông Lâm, TP. Hồ
Chí Minh.
2. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012), Báo cáo kết quả thực hiện kế
hoạch 12 tháng năm 2012 ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn, Hà Nội.
3. Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ và Phốtpho. NXB
Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.
4. Cục chăn nuôi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2010), Báo cáo